Стеклокристаллические оптические волноводы сохраняют свойства при высоких температурах

Ученые из Российского химико-технологического института имени Д. И. Менделеева разработали оптические волноводы, которые остаются стабильными при температуре до 600 °С, для передачи данных. Для этого они использовали ситаллы — материалы, известные тем, что не изменяют своих размеров при нагревании. О полученных результатах сообщила служба научных коммуникаций РХТУ.

Термин «ситаллы», или «стеклокристаллические материалы», предложил в начале XX века создатель этого типа материалов — известный физикохимик Исаак Китайгородский. Если обычное стекло представляет собой аморфное вещество, то в ситалле среди аморфной массы равномерно распределены небольшие кристаллы размером до 2000 нанометров. Кристаллическая часть может составлять от 20 до 95 % объема ситалла и, в зависимости от состава стекла и метода кристаллизации, изменять свойства материала.

«Самый наукоемкий класс ситаллов, будущее которого впереди, — это оптические ситаллы и особенно ситаллы со сверхнизким коэффициентом линейного расширения», — говорит заведующий кафедрой стекла и ситаллов РХТУ Владимир Сигаев. В оптических ситаллах тепловое расширение стеклообразной матрицы компенсируется сжатием кристаллической фазы, так как она представлена подходящими кристаллами с отрицательными значениями коэффициента теплового расширения. В результате материал при нагревании не расширяется, а сохраняет свои изначальные размеры. Благодаря этому свойству ситаллы используют для создания зеркал телескопов.

Авторы использовали такие ситаллы для создания волноводов — одного из ключевых элементов оптических чипов, аналогов электронных микросхем, где информация передается не посредством электрического тока, а с помощью света. Если создать волновод в оптическом ситалле, то передаваемая по нему информация, будет защищена даже при внезапном повышении или понижении температуры.

Для решения этой задачи исследователи применили метод прямой лазерной записи. Они фокусировали пучок фемтосекундного лазерного излучения в ситалл и записывали линии (треки), которые получались при перемещении ситалла перпендикулярно лазерному пучку. В зависимости от типа материала, в этой линии увеличивается или уменьшается показатель преломления по сравнению с немодифицированной областью. В первом случае записанная линия сама становится волноводом, по сердцевине которого бежит свет, а во втором случае нужно процарапать несколько треков, и волноводом будет пространство между ними, а записанные линии станут оболочкой волновода, не выпускающей из него свет. Испытания при повышенной температуре показали, что даже при 600 °С волновод остается стабильным, что доказывает возможность безопасной передачи данных в ситаллах в случае резких перепадов температуры.

«Для прецизионной компенсации теплового расширения аморфной фазы за счет отрицательного коэффициента сжатия кристаллической фазы и одновременно сохранения прозрачности на уровне обычного листового стекла в ситаллах нужно очень точно соблюдать фазовый состав. Поэтому технология изготовления подобного материала значительно более сложная, чем технология стекла, — отмечает Владимир Сигаев. — В дальнейшем мы планируем продолжать исследования прямой лазерной записи в стеклах и ситаллах для создания аморфных и кристаллических волноводов, которые смогут не только проводить свет, но и изменять его свойства за счет нелинейно-оптических эффектов, например, генерации второй гармоники для изменения длины волны проходящего света».

Результаты работы опубликованы в журнале Optics & Laser Technology.