Innovations en optique : Le rôle des boules de grenat GGG, SGGG et NGG

1 Préface

La construction à grande échelle des réseaux 5G offre de nouvelles opportunités au marché des communications par fibre optique. La fibre optique est le seul matériau qui permette d'atteindre les hauts débits de transmission de données nécessaires. Alors que la demande de fibre optique augmente en raison des réseaux 5G, la demande d'isolateurs de fibre optique est également en hausse. Les isolateurs de fibre optique sont utilisés en combinaison avec des amplificateurs de fibre dopée à l'appât pour augmenter le gain maximal et réduire l'indice de bruit. Dans le développement rapide de la communication par fibre optique à multiplexage dense en longueur d'onde (DWDM), les systèmes à grande vitesse et à grande capacité jouent un rôle important. Les isolateurs optiques sont particulièrement importants dans ce contexte.

Legrenat de gadoliniumet de gallium ( GGG), le grenat de scandium et de gallium (SGGG) et le grenat de néodyme et de gallium (NGG) sont largement utilisés dans divers dispositifs magnéto-optiques en raison de leurs excellentes propriétés magnéto-optiques et sont devenus une étoile montante dans le domaine des matériaux optiques.

Image 1 Fibre optique

2 GGG

2.1 Introduction

Legrenat de gadolinium et de gallium (GGG, formule Gd3Ga5O12) est un matériau cristallin synthétique semblable au grenat, généralement incolore. Il présente un réseau cristallin cubique, une densité de 7,08 g/cm3 et une dureté de Mohs de 6,5 et 7,5. En tant que matière première importante pour les dispositifs optiques, le GGG possède des propriétés uniques. Son indice de réfraction est relativement élevé. En même temps, il présente une bonne transparence dans la gamme spectrale visible. Il laisse donc passer la lumière tout en conservant ses propriétés optiques d'origine. Il est idéal pour la préparation de dispositifs optiques tels que les lentilles à indice de réfraction élevé, les composants optiques et les dispositifs laser. Il présente également plusieurs effets optiques non linéaires, tels que l'effet Kerr optique et l'effet d'autofocalisation. Le GGG a une conductivité thermique relativement faible et son excellente dissipation de la chaleur en fait un matériau idéal pour les dispositifs optiques et les substrats. Plus important encore, le GGG possède d'excellentes propriétés magnéto-optiques, caractérisées par l'effet de spin de Faraday. Cette propriété a conduit à une large gamme d'applications dans les dispositifs magnéto-optiques, tels que les dispositifs de stockage magnéto-optique et les déflecteurs magnéto-optiques.

Image 2 Cristaux GGG floconneux

2.2 Caractères

Les transistors et les circuits intégrés sont fabriqués sur la surface d'une feuille semi-conductrice, qui dans ce cas est le substrat (puce). Le substrat semi-conducteur joue un rôle non seulement dans les propriétés électriques, mais aussi dans le support mécanique.

En tant que matériau de substrat, le GGG présente des caractéristiques qui conviennent parfaitement aux matériaux de substrat:

1. Correspondance structurelle entre le substrat et le film épitaxié : Les matériaux épitaxiés et les matériaux de substrat ont une structure cristalline identique ou similaire, un faible décalage de la constante de réseau, de bonnes propriétés cristallines et une faible densité de défauts. La constante de réseau et le coefficient de dilatation thermique des monocristaux de GGG correspondent à ceux du YIG, de sorte que le monocristal de GGG est considéré comme un matériau de substrat approprié pour les films épitaxiaux magnéto-optiques YIG et de type YIG. Ces matériaux YIG et de type YIG ont un large éventail d'applications dans le domaine des isolateurs optiques, des guides d'ondes optiques et de l'optique intégrée.

2. Adaptation du coefficient de dilatation thermique entre le substrat et le film épitaxial : La concordance du coefficient de dilatation thermique est très importante. Une différence trop importante entre le coefficient de dilatation thermique du film épitaxial et celui du substrat peut non seulement entraîner une baisse de la qualité du film épitaxial, mais aussi endommager le dispositif en raison de la chaleur qu'il dégage.

3. La stabilité chimique du substrat et du film épitaxial doit correspondre : Le matériau du substrat doit présenter une bonne stabilité chimique et protéger le film épitaxial tout en maintenant sa stabilité et sa non-décomposition pendant le traitement.

4. Facilité de préparation et coût des matériaux : Pour être mis en production de masse, le matériau de substrat doit être préparé selon un processus simple et à un coût aussi bas que possible.

Figure 3 : Diagramme XRD du GGG à 1000°C

2.3 Préparation

La grande majorité des mémoires à bulles magnétiques sont préparées sur des substrats en grenat de gadolinium et de gallium (GGG). Ces substrats servent non seulement de supports mais aussi de noyaux pour la croissance épitaxiale des couches de stockage magnétique. Tout défaut dans la structure du substrat sera reproduit dans la couche épitaxiale, c'est pourquoi le substrat doit être très uniforme. La technologie du processus de préparation des GGG doit donc être très parfaite pour garantir leur qualité. La méthode la plus courante de préparation des GGG est la méthode de traction, et deux des aspects les plus importants du processus de préparation par traction sont le contrôle de la température et de la vitesse.

1. Contrôle de la température : Le contrôle de la température de la matière fondue est la clé du processus de croissance cristalline de la méthode de traction. La distribution de la température dans la matière fondue est nécessaire pour maintenir la température du point de fusion à l'interface solide-liquide, pour s'assurer que la matière fondue autour du cristal de semence a un certain degré de sous-refroidissement, et que le reste de la matière fondue reste surchauffé. De cette manière, on s'assure que la matière fondue ne produit pas d'autres noyaux, atomes ou molécules à l'interface, conformément à la structure du cristal de semence agencé en un seul cristal. Pour maintenir un certain degré de sous-refroidissement, l'interface de croissance doit constamment se déplacer vers des températures plus basses, loin de la surface isotherme du point de solidification, pour que les cristaux puissent croître. En outre, la température de la matière fondue est généralement beaucoup plus élevée que la température ambiante ; pour maintenir la matière fondue à sa température appropriée, le dispositif de chauffage doit également assurer une alimentation continue en chaleur.

2. Taux de levage : La vitesse de levage détermine le taux de croissance et la qualité des cristaux. Avec une vitesse de rotation appropriée, la matière fondue peut produire un bon mélange et réduire le gradient de température radial, afin d'éviter que les composants ne soient trop refroidis. Le taux de levage général est de 6 à 15 mm par heure.

En outre, en raison de la croissance du matériau GGG lui-même, des particules blanches brumeuses sont parfois produites dans les cristaux, ce qui affecte l'utilisation optique. Les raisons techniques et les possibilités d'amélioration sont également étudiées.

Image 4 Des taches blanches brumeuses apparaissent parfois dans les cristaux de GGG.

2.4 Applications (dans la réfrigération)

Lesmatériaux magnétiques subissent un changement de direction de leur moment magnétique dans un champ magnétique appliqué. Ce processus s'accompagne d'un changement d'entropie magnétique, à savoir le changement d'entropie causé par la réorientation du moment magnétique dans le champ magnétique externe. L'échange de chaleur se produit lorsque des matériaux magnétiques subissent un changement d'entropie magnétique dans un champ magnétique. En concevant un système de réfrigération magnétique, il est possible de refroidir un objet tout en absorbant de la chaleur. Dans l'industrie de la réfrigération magnétique, le GGG a été appliqué avec succès dans la région des températures inférieures à 20K pour le flux d'He II du marché ainsi que pour la réfrigération pré-stage de la liquéfaction hélium-azote.

Image 5 Cristaux de GGG en colonnes

3SGGG&NGG

3.1 SGGG

Les cristaux degrenat de scandium-gadolinium-gallium (SGGG, formule Gd3Sc2Ga3O12) sont des cristaux obtenus en substituant Sc3+ à une partie de Ga3+ dans les cristaux de GGG, dont la structure et l'apparence sont similaires et qui sont produits par la même méthode. Les cristaux GSGG présentent certains avantages :

1. Comme les cristaux GGG, les cristaux GSGG sans noyau de haute qualité sont faciles à produire et peuvent éviter les défauts liés aux impuretés et au stress causés par la croissance de petites surfaces.

2. Le grenat contenant du Sc a une conductivité thermique plus élevée et des propriétés physicochimiques stables, possède une efficacité de dissipation de la chaleur plus élevée et évite efficacement les problèmes causés par la surchauffe de la surface.

Tableau 1 Comparaison des propriétés de GGG et SGGG

3.2 NGG

Les cristaux degrenat de néodyme et de gallium (NGG) sont des cristaux obtenus en remplaçant une partie du Ga3+ des cristaux GGG par du Nd3+. Ses avantages se traduisent principalement par

1. Le cristal est relativement facile à cultiver, et la vitesse de croissance du cristal peut atteindre 5 mm/h.

2. Le cristal peut être cultivé à une interface plate sans concentration de contraintes et avec peu d'impuretés, ce qui facilite la préparation de lamelles de grande taille pour des applications de cristaux de haute puissance.

3. Le Nd dans les cristaux de grenat d'yttrium aluminium (YAG) a un coefficient de partage de 0,1-0,2, alors que dans les cristaux GGG le coefficient de partage du Nd est plus élevé, jusqu'à 0,52, ce qui est propice à la préparation de cristaux laser dopés à haute concentration, augmentant ainsi la puissance de pompage ^[1].

4. Comparés au verre de néodyme, le milieu de gain du laser, les cristaux de Nd : GGG ont une plus grande résistance mécanique et une plus grande conductivité thermique, ce qui permet de refroidir les cristaux plus rapidement.

5. La substitution homomorphique de Nd3+ par Gd3+ évite efficacement la fragmentation de la luminescence dans le niveau d'énergie supérieur du laser Nd3+ ^[2].

6. L'efficacité laser des cristaux de Nd : GGG est deux fois plus élevée que celle du verre de néodyme, un milieu de gain laser à haute puissance couramment utilisé, et peut être utilisé comme milieu de travail laser dans les armes laser stratégiques à courte portée d'une puissance allant jusqu'à 100 kW ^[3,4].

Tableau 2 Comparaison des propriétés de GGG, SGGG et NGG

4 Conclusion

Les GGG, SGGG et NGG sont largement utilisés dans la technologie laser, les dispositifs optiques, les applications magnétiques et d'autres domaines de haute technologie en raison de leurs propriétés optiques supérieures. Le GGG, en tant que matériau le plus étudié et le plus appliqué, a été utilisé dans diverses applications dans les domaines des cavités de résonance laser, des dispositifs magnéto-optiques, des cristaux laser, etc. Le SGGG et le NGG présentent des aspects supérieurs à leurs propriétés d'origine et attendent que d'autres applications soient explorées grâce au dopage du scandium et du néodyme avec deux types d'éléments de terre rare. SGGG et NGG, grâce au dopage de deux éléments de terre rare, le scandium et le néodyme, présentent des aspects supérieurs aux propriétés d'origine de GGG et attendent d'être explorés dans d'autres applications.

Références

[1]ZIMIK K，CHAUHANR，KUMARR，eta1．Étudede la croissance de cristaux deNd3+：Gd3Ga5O12(Nd： GGG) par la technique czochralski sousdifférents débits de gaz et en utilisant différents creusets. différents débits de gaz et en utilisant différentes tailles de creuset pour la croissance de l'interface plate[J]．JournaIof CrystaIGrowth，2013，363(3)：76-79．