Development of ultra-low loss glass and the process for fiberization

超低损耗玻璃及其纤维化工艺的开发

• 批准号: 21H01835
• 负责人: 小野 円佳
• 金额: $ 11.56万
• 依托单位: Tohoku University (2023)Hokkaido University (2021-2022)
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01835/
• 关键词: 究極透明ガラス; 高温高圧凍結; 空隙構造; 構造揺らぎ; トポロジー; ガラス; 圧力; 光量子通信; 低光損失; シリカガラス; 高温高圧処理; 量子暗号通信; 光通信ファイバ; 高温高圧

本研究は、量子暗号通信の普及に向けた超損失の通信経路となる材料の探索研究である。量子暗号や量子状態は信号増幅を行おうとすると情報自体が壊れることから、低損失な通信経路が求められる。しかしこれを担うべき光通信ファイバの散乱損失は30年余下げ止まっていた。これに対して申請者は、光通信ファイバのコア部材であるシリカガラスに圧力を印加すると、光損失が現行の半分以下に低減できることを見出した。また、計算により更に高圧下で光損失をもっと低減できると予測した。本研究ではこの予測に基づき高温高圧凍結ガラスを合成し、究極の透明ガラスを実証することを目的としている。更に、ファイバ化が可能な究極透明ガラスの材料創成に挑んでいる。そこで当該年度には、より高圧で凍結したガラスの合成を目指して10 GPaまで印加できる装置の導入を検討していた。ところ、汎用のラマン測定を使って構造情報を取得したところ、圧力が1 GPaを超えたあたりでシリカガラスの構造がむしろ不安定となることを確認した。これは最適圧力が1 GPa以下にあることを示唆しており、その範囲なら気体媒体を用いた高圧印加装置（ただし、日本に1か所しかない）で対応できるため、試料の散乱も測定しやすい。そこで、自らが装置を購入せず、外注により1 GPa以下の圧力の範囲で複数条件でガラスを合成することとした。得られた試料に対し、屈折率、屈折率分散、ラマン散乱測定、ＦＴＩＲ測定を行ったほか、Spring-8のBL04ビームラインを用いて構造のＸ線プロファイルを測定したところ、1 GPa以下の圧力において、10 A程度の大きな秩序構造が徐々に消滅していくことを突き止めた。圧力の上昇に伴う屈折率の増加と屈折率分散の抑制、ＦＳＤＰと呼ばれるガラス特有の中長距離構造の先鋭化が同時に起こることを観測したことから、レイリー散乱係数が抑制されることが期待された。

This study is aimed at the popularization of quantum communication and the exploration of ultra-loss communication materials. Quantum state signals increase in amplitude, and the information itself is transmitted to the receiver with low loss. The loss of scattered light in optical communication will last for 30 years. For example, the applicant can reduce the optical loss by less than half a minute due to the high pressure of the optical communication components. Calculation of light loss under high pressure The purpose of this research is to synthesize high-temperature and high-pressure freezing glass based on this prediction and to demonstrate the ultimate transparent glass. In addition, it is possible to create extremely transparent materials. This year, the introduction of a 10 GPa freeze-in device was discussed. The structure of the system is stable. The optimum pressure is less than 1 GPa, and the sample is scattered. The pressure range below 1 GPa is determined by the following conditions: The results show that the sample temperature, refractive index, refractive index dispersion, scattered measurement, FTIR measurement, X-ray structure of the sample temperature, 1 GPa or less, and the pressure of the sample temperature, 10 A or less. The increase of pressure is accompanied by the increase of refractive index, the suppression of refractive index dispersion, the first sharpening of FSDP and the special medium and long distance structure, and the suppression of refractive index.

项目成果

Theoretical study of the thermal conductivity of silica glass?crystal composites

石英玻璃晶体复合材料导热系数的理论研究

• DOI: 10.1111/jace.18806
• 发表时间: 2022
• 期刊: Journal of the American Ceramic Society
• 影响因子: 3.9
• 作者: Kim Hongyeun;Yang Yongjian;Tokunaga Hirofumi;Koike Akio;Ono Madoka;Mauro John C.
• 通讯作者: Mauro John C.

Void Engineering in Silica Glass for Ultralow Optical Scattering Loss

二氧化硅玻璃中的空隙工程可实现超低光学散射损耗

• DOI: 10.1109/jlt.2021.3089171
• 发表时间: 2021
• 期刊: Journal of Lightwave Technology
• 影响因子: 4.7
• 作者: 上殿明良，田中亮，高島信也，上野勝典，江戸雅晴，嶋紘平，小島一信，秩父重英，石橋章司;荒木努，後藤直樹，出浦桃子， 黒田悠弥，和田邑一，藤井高 志，毛利真一郎，白石裕児，福 田承生;Ono Madoka
• 通讯作者: Ono Madoka

Development of optical fibers and glasses for fibers—Evolution of optical fiber glasses from multicomponent to pure silica

光纤和光纤用玻璃的发展——光纤玻璃从多组分到纯二氧化硅的演变

• DOI: 10.2109/jcersj2.22064
• 发表时间: 2022
• 期刊: Journal of the Ceramic Society of Japan
• 影响因子: 1.1
• 作者: Ono Madoka;Nishii Junji
• 通讯作者: Nishii Junji

シリカガラスの高温高圧処理を用いた 構造制御による 低散乱損失化と高屈折率化の両立

通过对石英玻璃进行高温高压处理进行结构控制，实现低散射损耗和高折射率

• 发表时间: 2022
• 作者: A. Uedono;M. Dickmann;W. Egger;C. Hugenschmidt;and S. Ishibashi;小野円佳
• 通讯作者: 小野円佳

高温高圧処理を施したシリカガラスのX線回折

高温高压处理石英玻璃的X射线衍射

• 发表时间: 2022
• 作者: Zhang Zhenya;Sekiguchi Fumiya;Moriyama Takahiro;Furuya Shunsuke C.;Sato Masahiro;Satoh Takuya;Mukai Yu;Tanaka Koichiro;Yamamoto Takafumi;Kageyama Hiroshi;Kanemitsu Yoshihiko;Hirori Hideki;小野円佳
• 通讯作者: 小野円佳