Инновации в оптике: Роль гранатовых булей GGG, SGGG и NGG

1 Предисловие

Полномасштабное строительство сетей 5G открывает новые возможности для рынка оптоволоконной связи. Оптическое волокно - единственный материал, обеспечивающий необходимую высокую скорость передачи данных. В то время как спрос на оптическое волокно растет благодаря сетям 5G, спрос на волоконно-оптические изоляторы также увеличивается. Оптоволоконные изоляторы используются в сочетании с усилителями на легированном волокне для увеличения максимального коэффициента усиления и снижения индекса шума. В стремительном развитии волоконно-оптической связи с плотным мультиплексированием с разделением по длине волны (DWDM) важную роль играют высокоскоростные и высокопроизводительные системы. Оптические изоляторы особенно важны в этом контексте.

Гадолиний-галлиевый гранат (GGG), скандий-гадолиний-галлиевый гранат (SGGG) и неодим-галлиевый гранат (NGG) широко используются в различных магнитооптических устройствах благодаря своим превосходным магнитооптическим свойствам и становятся восходящей звездой в области оптических материалов.

Изображение 1 Оптоволокно

2 GGG

2.1 Введение

Гадолиний-галлиевый гранат (GGG, формула Gd3Ga5O12) - это гранатоподобный синтетический кристаллический материал, который обычно бесцветен. Он имеет кубическую кристаллическую решетку, плотность 7,08 г/см3 и твердость по Моосу 6,5 и 7,5. Являясь важным сырьем для оптических приборов, GGG обладает рядом уникальных свойств. Он имеет относительно высокий показатель преломления. В то же время он обладает хорошей прозрачностью в видимом спектральном диапазоне. Это позволяет пропускать свет и сохранять свои первоначальные оптические свойства. Он идеально подходит для изготовления оптических приборов, таких как линзы с высоким коэффициентом преломления, оптические компоненты и лазерные устройства. Он также демонстрирует несколько нелинейных оптических эффектов, таких как оптический эффект Керра и эффект самофокусировки. GGG обладает относительно низкой теплопроводностью, и его превосходное теплоотведение делает его идеальным для использования в оптических устройствах и подложках. Что особенно важно, GGG обладает превосходными магнитооптическими свойствами, которые характеризуются спиновым эффектом Фарадея. Это свойство нашло широкое применение в магнитооптических устройствах, таких как магнитооптические накопители и магнитооптические дефлекторы.

Рис. 2 Чешуйчатые кристаллы GGG

2.2 Символы

Транзисторы и интегральные схемы изготавливаются на поверхности полупроводникового листа, который в данном случае является подложкой (чипом). Полупроводниковая подложка играет роль не только в электрических свойствах, но и в механической поддержке.

В качестве материала подложки GGG обладает характеристиками, которые очень подходят для материалов подложки:

1. Структурное соответствие между подложкой и эпитаксиальной пленкой: Эпитаксиальные материалы и материалы подложки имеют одинаковую или схожую кристаллическую структуру, небольшое несоответствие постоянной решетки, хорошие кристаллические свойства и низкую плотность дефектов. Константа решетки и коэффициент теплового расширения монокристаллов GGG совпадают с YIG, поэтому монокристалл GGG считается подходящим материалом подложки для магнитооптических эпитаксиальных пленок YIG и YIG-подобных материалов. Эти YIG и YIG-подобные материалы имеют широкий спектр применения в области оптических изоляторов, оптических волноводов и интегральной оптики.

2. Согласование коэффициента теплового расширения подложки и эпитаксиальной пленки: Соответствие коэффициента теплового расширения очень важно. Разница между эпитаксиальной пленкой и материалом подложки в коэффициенте теплового расширения слишком велика, что не только может привести к снижению качества эпитаксиальной пленки, но и в рабочем процессе устройства, из-за тепла, вызванного повреждением устройства.

3. Химическая стабильность подложки и эпитаксиальной пленки должны совпадать: Материал подложки должен обладать хорошей химической стабильностью и защищать эпитаксиальную пленку, сохраняя ее стабильность и не разлагаясь в процессе обработки.

4. Простота подготовки и стоимость материалов: Для запуска в массовое производство подготовка материала подложки требует простоты процесса и как можно более низкой стоимости.

Рис. 3 XRD картина GGG при 1000°C

2.3 Подготовка

Подавляющее большинство магнитных пузырьковых запоминающих устройств изготавливается на подложках из гадолиний-галлиевого граната ( GGG ). Эти подложки служат не только носителями, но и ядрами для эпитаксиального роста магнитных слоев памяти. Любой дефект в структуре подложки будет воспроизведен в эпитаксиальном слое, поэтому подложка должна быть очень однородной. Таким образом, сама технология приготовления GGG должна быть очень совершенной, чтобы обеспечить его качество. Наиболее распространенным методом подготовки GGG является метод растяжения, и два наиболее важных аспекта процесса подготовки к растяжению - это контроль температуры и скорости.

1. Контроль температуры: Контроль температуры расплава является ключом к процессу роста кристаллов в методе растяжения. Распределение температуры в расплаве необходимо для поддержания температуры точки плавления на границе раздела твердое тело-жидкость, чтобы расплав вокруг затравочного кристалла имел определенную степень переохлаждения, а остальная часть расплава оставалась перегретой. Таким образом, обеспечивается, что в расплаве не образуются другие ядра, атомы или молекулы на границе раздела фаз в соответствии со структурой затравочного кристалла, организованного в монокристалл. Чтобы поддерживать определенную степень переохлаждения, граница раздела фаз роста должна постоянно перемещаться в сторону более низких температур от изотермической поверхности точки затвердевания для роста кристаллов. Кроме того, температура расплава обычно намного выше комнатной, чтобы поддерживать ее на должном уровне, необходимо обеспечить непрерывную подачу тепла с помощью нагревателя.

2. Скорость подъема: Скорость подъема определяет скорость роста кристаллов и их качество. При соответствующей скорости вращения, расплав может производить хорошее перемешивание, и уменьшить радиальный градиент температуры, чтобы предотвратить компоненты цели переохлаждения. Общая скорость подъема составляет 6-15 мм в час.

Кроме того, из-за роста самого материала GGG в кристаллах иногда образуются туманные белые частицы, что влияет на оптическое использование. В настоящее время изучаются технические причины этого явления и возможности его устранения.

Рис. 4 Иногда в кристаллах GGG появляются туманные белые пятна

2.4 Применение (в холодильной технике)

Магнитные материалы претерпевают изменение направления своего магнитного момента в приложенном магнитном поле. Этот процесс сопровождается изменением магнитной энтропии, а именно изменением энтропии, вызванным переориентацией магнитного момента во внешнем магнитном поле. Теплообмен происходит, когда магнитные материалы претерпевают изменение магнитной энтропии в магнитном поле. Создавая магнитную систему охлаждения, можно охлаждать объект, одновременно поглощая тепло. В магнитной холодильной промышленности GGG успешно применяется в области температур ниже 20 К для рыночного потока He II, а также для охлаждения на предварительной стадии сжижения гелия и азота.

Фото 5 Столбчатые кристаллы GGG

3SGGG&NGG

3.1 SGGG

Скандий-гадолиний-галлиевый гранат (SGGG, формула Gd3Sc2Ga3O12) - это кристаллы, полученные путем замещения Sc3+ на часть Ga3+ в кристаллах GGG, которые схожи по структуре и внешнему виду и производятся тем же методом. GSGG обладает рядом преимуществ:

1. Как и GGG, высококачественные бесстержневые кристаллы GSGG легко выращивать и можно избежать дефектов, связанных с примесями и напряжениями, вызванными ростом малых поверхностей.

2. Sc-содержащий гранат обладает более высокой теплопроводностью и стабильными физико-химическими свойствами, имеет более высокую эффективность рассеивания тепла и позволяет эффективно избежать проблем, связанных с перегревом поверхности.

Таблица 1 Сравнение свойств GGG и SGGG

3.2 NGG

Кристаллынеодим-галлиевого граната (NGG) - это кристаллы, полученные путем замены Nd3+ на часть Ga3+ в кристаллах GGG. Его преимущества заключаются в следующем:

1. Кристалл относительно легко выращивать, а скорость роста кристаллов может достигать 5 мм/ч.

2. Кристалл может быть выращен на плоской границе раздела без концентрации напряжений и с малым количеством примесей, что облегчает подготовку пластин большого размера для применения в мощных кристаллах.

3. Коэффициент разделения Nd в кристаллах иттрий-алюминиевого граната (YAG) составляет 0,1-0,2, в то время как в кристаллах GGG коэффициент разделения Nd выше - до 0,52, что способствует получению высококонцентрированных легированных лазерных кристаллов, увеличивающих мощность накачки ^[1].

4. По сравнению с неодимовым стеклом, являющимся средой усиления лазера, кристаллы Nd: GGG имеют более высокую механическую прочность и более высокую теплопроводность, что позволяет охлаждать кристаллы за более короткое время.

5. Гомоморфное замещение Nd3+ на Gd3+ позволяет эффективно избежать фрагментации люминесценции на верхнем энергетическом уровне Nd3+ лазера ^[2].

6. Лазерная эффективность кристаллов Nd: GGG в два раза выше, чем у неодимового стекла, широко используемой среды усиления мощных лазеров, и может быть использована в качестве рабочей среды лазера в стратегическом лазерном оружии малой дальности мощностью до 100 кВт ^[3,4].

Таблица 2 Сравнение свойств GGG, SGGG и NGG

4 Заключение

Благодаря своим превосходным оптическим свойствам GGG, SGGG и NGG широко используются в лазерной технике, оптических устройствах, магнитных приложениях и других областях высоких технологий. GGG, как наиболее широко исследованный и применяемый материал, был использован в различных приложениях в области лазерных резонансных полостей, магнитооптических устройств, лазерных кристаллов и т.д.; SGGG и NGG имеют превосходные аспекты своих первоначальных свойств и ожидают новых применений благодаря легированию скандия и неодима двумя видами редкоземельных элементов. SGGG и NGG, благодаря легированию двумя редкоземельными элементами, скандием и неодимом, имеют более высокие аспекты по сравнению с первоначальными свойствами GGG и ожидают новых применений.

Ссылки

[1]ZIMIK K，CHAUHANR，KUMARR，eta1． Исследованиероста кристаллаNd3+：Gd3Ga5O12( Nd：GGG) методом Чохральского приразличных скоростях потока газа и использовании различных тиглей. при различных скоростях потока газа и использовании различных размеров тиглей для роста плоского интерфейса[J]．JournaIof CrystaIGrowth，2013，363(3)：76-79．