|
|
больше ...
Термины запроса в документе
Реферат
[RU] Оптический волновод, имеющий слой оболочки, выполненный из высокочистого стекла, или слой оболочки, выполненный из высокочистого стекла с модифицированным изотопным составом, и с сердцевиной из высокочистого стекла с модифицированным изотопным составом с показателем преломления стекла сердцевины большим показателя преломления стекла оболочки, причем указанный высокочистый материал сердцевины с модифицированным изотопным составом имеет состав изотопа Si-29 не более 4,447 атомных процентов Si-29 от всех атомов кремния в указанной сердцевине, или по меньшей мере 4,90 атомных процентов атомов Si-29 в указанной сердцевине, или имеет состав изотопа Ge-73 не более 7,2 атомных процентов Ge-73 от всех атомов германия в указанной сердцевине или по меньшей мере 8,18 атомных процентов Ge-73 от атомов германия в указанной области сердцевины. 
Полный текст патента
(57) Реферат / Формула:
Оптический волновод, имеющий слой оболочки, выполненный из высокочистого стекла, или слой оболочки, выполненный из высокочистого стекла с модифицированным изотопным составом, и с сердцевиной из высокочистого стекла с модифицированным изотопным составом с показателем преломления стекла сердцевины большим показателя преломления стекла оболочки, причем указанный высокочистый материал сердцевины с модифицированным изотопным составом имеет состав изотопа Si-29 не более 4,447 атомных процентов Si-29 от всех атомов кремния в указанной сердцевине, или по меньшей мере 4,90 атомных процентов атомов Si-29 в указанной сердцевине, или имеет состав изотопа Ge-73 не более 7,2 атомных процентов Ge-73 от всех атомов германия в указанной сердцевине или по меньшей мере 8,18 атомных процентов Ge-73 от атомов германия в указанной области сердцевины.
Изотопно-модифицированное оптическое волокно Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к изотопно-модифицированному оптическому волокну и, в частности, к кварцевому волокну, обедненному или обогащенному атомами изотопа Si-29 или обедненному или обогащенному атомами изотопа Ge-73.
Предпосылки изобретения
Оптические потери представляют собой ограничивающий фактор при проектировании и строительстве оптических сетей и линий связи, которые обычно включают сотни километров оптического волокна на основе кварцевого стекла. Оптические потери в кварцевых волокнах вызываются преимущественно двумя факторами: (1) рэлеевским рассеянием, ослабевающим как функция 1А4 (где X - длина волны) и преобладающим для более коротких длин волн, и (2) поглощением в инфракрасной области спектра диоксидом кремния, преобладающим для более длинных длин волн. Типичные волокна с кварцевым сердечником, легированные диоксидом германия (Ge02), имеют потери 0,1890,200 дБ/км при длине волны 1510-1610 нм.
Уже предпринималась попытка разработать оптическое волокно с более низкими потерями пропускаемости посредством изотопной модификации областей волокна. См. патенты США №6810197 и №6870999. Улучшение в части потерь ограничивалось приблизительно до 0,145-0,155 дБ/км и достигалось, главным образом, смещением длины волны минимальных оптических потерь приблизительно к 1670 нм и частично изменением увеличивающей показатель преломления легирующей примеси с диоксида германия на кислород-17, хотя авторы изобретения не смогли объяснить причину снижения потерь вследствие использования ими кислорода-17.
Ученые и инженеры в области волоконной оптики не отдают себе отчет в том, что изотоп Si-29 является источником почти всего изменения показателя
преломления диоксида кремния от 1,0000, причем кислород-17 с природным изотопным составом при нормальных (естественных) уровнях обеспечивает малое увеличение. Подобным образом, эти ученые и инженеры не отдают себе отчет в том, что изотоп Ge-73 (обычно используемая легирующая примесь) увеличивает показатель преломления плавленого кварца с его природными изотопными составами с 1,46 приблизительно до 1,47. Не признано также, что именно легирующая примесь Si-29 обеспечивает преобладающую часть рэлеевского рассеяния, присутствующего в оптических волноводах по существующей технологии. Они не рассматривают изотоп Si-29 как легирующую примесь, поскольку он является естественно встречающимся устойчивым изотопом кремния.
Таким образом, снижение изотопного состава Si-29 в диоксиде кремния, скажем, в 100 раз (с природных 4,67 атомных процентов до 0,0467 атомных процентов) даст материал с показателем преломления 1,005, а снижение в 33 раза - материал с показателем преломления 1,015. Эти два материала с разницей показателей преломления 1,015-1,005 = 0,010 являются вполне приемлемыми, чтобы стать оболочкой и сердцевиной нового волокна.
Аналогичным образом, в патенте США 6490399 описывается замещение изотопа кремний-30 изотопом кремний-28, что имеет подобный эффект перемещения вправо графика линии собственного (фундаментального) поглощения в инфракрасной области спектра. Это дает в результате открытие новой области полезной передачи. См. фиг. 2, на которой показано область длин волн, помеченная "В", приблизительно от 1610 приблизительно до 1710 нанометров для замещения как изотопом Si-30 изотопа Si-28, так и изотопом 0-18 изотопа 0-16.
В патенте США 6810197 в его разделе "Краткое описание изобретения" (столбец 1, строка 58 - столбец 3, строка 14) описывается уменьшение числа необходимых усилительных станций для трансатлантической линии связи на 11 единиц благодаря увеличению возможного расстояния между усилителями с 125
до 156 километров. Однако на практике эта выгода почти наверняка будет иллюзорной. Любая практическая линия связи, передающая в диапазоне 16101710, будет рассчитана и на использование полосы 1510-1610, и изотопное замещение заметно не поможет передаче по волокну в большей части полосы 1510-1610 нм. Поскольку одна и та же усилительная станция, усиливающая в полосе 1610-1710, будет и станцией для усиления в полосе 1510-1610, должная работа в последней полосе потребует поддерживания того же расстояния между усилителями 125 километров, как и требуется в настоящее время. Таким образом, единственным эффективным улучшением будет расширение используемой ширины полосы, в которой могут посылаться сигналы. Иными словами, замещение изотопом Si-30 изотопа Si-28 и изотопом О-18 изотопа 0-16 фактически не позволяет получить какую-либо экономию за счет снижения волноводных потерь, и даже расширенная полоса (включающая область 16101710), вероятно, будет выгодной лишь в линиях связи, в которых сигналы мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM) уже занимают всю ширину полосы 1510-1610.
Аналогичным образом, в ссылке в патенте 6490399 на реферат из патентного документа Японии JP-A-60090845 описывается способ использования промывки дейтерием пористой преформы Si02 для замены существующих групп -ОН группами -OD, тем самым смещая их полосы поглощения (включая 1400 нм) к большим длинам волн - более 1710 нм. Однако, эта технология описана как "дорогостоящая", частично потому, что изготовители волокон уже проделали большую работу по снижению состава -ОН, частично благодаря непрерывному усовершенствованию обработки хлором С1г, которая была описана в патенте 3933454 (столбец 7, строки 1-8, 68).
Однако это просто означает, что спектр поглощения -ОН, особенно при длине волны 1400 нм (см. фиг. 2), достаточно низкий по сравнению с линией минимума "рэлеевского рассеяния" (см. фиг. 3), что, по-видимому, делает дальнейшие усовершенствования бесперспективными. Настоящее изобретение посредством (частично) значительного снижения концентраций Si-29 (в 50-100
или более раз) дает в результате значительное снижение альтитуды минимума "рэлеевского рассеяния" на большую, связанную величину, что обеспечит дополнительную полезность промывки дейтерием (D2), как было описано в документе JP-A-60090845.
Следовательно, вариант осуществления настоящего изобретения, предлагающего снижение состава Si-29, наверняка будет иметь дополнительные непредвиденные преимущества как от промывки дейтерием (D2), так и от замещения изотопом Si-ЗО изотопа Si-28 и (или) замещения изотопом 0-18 изотопа 0-16. Полная реализация этих изменений может дать в результате оптический волновод, имеющий ширину полосы пропускания по меньшей мере от 1230 нм приблизительно до 2000 нм при потерях приблизительно 0,01 дБ/км или ниже, и, таким образом, позволит добиться трансатлантической передачи без усилительных станций или, самое большее, с одной усилительной станцией.
Эта попытка сместила линию, представляющую "поглощение в ИК области спектра" (см. фиг. 4 и 5), вправо на этих графиках. Это имело следствием уменьшение минимального поглощения, вызванное небольшим уменьшением суммы "поглощения в ИК области спектра", "рэлеевского [рассеяния]" и "УФ" с несколько увеличенной результирующей шириной полосы пропускания.
Однако настоящее изобретение нацелено не только на линию "поглощения в ИК области спектра", но фактически и на линию "рэлеевского рассеяния". См. фиг. 10, линия из длинных пунктиров, помеченная "рэлеевское рассеяние".
Снижение количества рассеивающих центров Si-29 в "X" раз уменьшит альтитуду линии "рэлеевского рассеяния" в число раз между "X" и корень квадратный из "X". Это даст в результате (для снижения концентрации Si-29 в 33 раза) уменьшение затухания из-за эффектов рэлеевского рассеяния в 33 -корень квадратный из 33 (приблизительно 5,9) раз. Это резко уменьшает общее затухание, наблюдаемое в полосе 1310 нм, а также при длинах волн приблизительно до 1650 нанометров.
Естественно, сочетание части признаков изобретения по патенту 6810197, а именно: замещения изотопом О-18 изотопа О-16 как в сердцевине, так и в областях оболочки возле сердцевины, и резкого снижения состава изотопа Si-29 в 100 раз (до 0,0467 атомного процента Si-29) обеспечивает значительное уменьшение общего затухания при прохождении сигнала по оптическому волноводу.
Авторы изобретения, на которое выдан патент 6810197, полагали, что для обеспечения преимуществ необходимо по меньшей мере некоторое количество изотопа 0-17 с попутным замещением кислородом-18 большинства кислорода-16, который обычно присутствует в изотопно не модифицированном волокне. См., например, пункты 1, 3, 4 и 9 формулы изобретения в патенте 6810197.
Напротив, настоящее изобретение оговаривает присутствие или отсутствие изотопа О-17, но с составами, достаточно более низкими, чем составы, перекрывающие формулу изобретения патента 6810197 или других патентов или заявок.
Лица, знакомые с разработкой волоконных оптических волноводов, т.е., ученые и инженеры в области оптики, смогут определить для данных длины волны передачи и диаметра сердцевины необходимую разницу показателей преломления, чтобы волокно функционировало как одномодовая передающая среда или, альтернативно, как многомодовая передающая среда.
Показатель преломления плавленого кварца может быть откорректирован от значения для природного изотопного распределения приблизительно 1,46 практически до любого значения до 1,0000 в зависимости от достигнутого уменьшения состава изотопа Si-29. Поэтому приведенные выше показатели преломления 1,015 и 1,005 являются примерными и не ограничивающими объем настоящего изобретения.
В описании изобретения к патенту 6128928 описываются преимущества отсутствия свободного кислорода при слабом легировании диоксидом германия,
добавляемым в оболочку или область внутренней оболочки оптического волокна. Однако в этом контексте увеличивающий показатель преломления эффект изотопа Ge-73 (который автор изобретения, на которое выдан патент 6128928, не признает как очень большую часть источника увеличения показателя преломления) является недостатком. Вместо этого автор настоящего изобретения оговаривает добавление ТОЛЬКО (или значительное большинство) атомов германия, иных, нежели атомы изотопа Ge-73, чтобы получить то же преимущество, что и в изобретении, на которое выдан патент 6128928, без увеличения показателя преломления. Автор изобретения, на которое выдан патент 6128928, четко не предвидел возможность использования изотопно-модифицированного образца диоксида германия вместо образца природного изотопа.
Автор настоящего изобретения ознакомился с принципами оптики и волноводов, пройдя курс физики под номером "8.03" в Массачусетс ком технологическом институте осенью 1977 года.
В начале 2007 года автор изобретения имел возможность прочесть изданную в 1979 году книгу об очень высокотехнологических аспектах конструирования и использования оптоволоконных систем. В ноябре/декабре 2008 года автор изобретения имел возможность прочесть материалы судебного дела "Компания Corning Glass Works против компании Sumitomo Electric U.S.A.", рассматривавшегося как в окружном суде (дело 671 F. Supp 1369 (S.D.N.Y. 1987)), так и в апелляционном суде по федеральному округу (дело 868 F,2d 1251 (Fed.Cir. 1989)). Это дало возможность познакомиться с очень обширным обсуждением истории оптоволоконных исследований и сведениями о конструкции и расчете оптоволокна.
Кроме того, автор изобретения ознакомился с перечнем природных изотопов каждого элемента в общей сложности приблизительно 256 штук. Кремний состоит приблизительно из 92% Si-28, 4,67% Si-29 и 3,1% Si-30. Германий имеет приблизительно 7,8% Ge-73. Данный нуклид (ядро изотопа) обладает свойством,
называемым "спином" (фактически, "электромагнитным спином"), как если бы он имел нечетное число протонов или нечетное число нейтронов. Таким образом, из изотопов кремния лишь Si-29 (4,67 атомных процентов) имел "спин", и лишь Ge-73 (7,8% атомных процентов) имел "спин".
"Спин" можно рассматривать как постоянное качание, вызванное тем фактом, что остается присутствующим одиночный, непарный нуклон. Он вызывает вибрацию (положительно заряженного) ядра, заставляя это ядро вести себя подобно что-то вроде крошечному стержневому магниту. Этот спин можно было бы использовать при анализе на основе ядерного магнитного резонанса, чаще всего с атомами водорода-1, и в магнитно-резонансной томографии. Изотопы могут иногда использоваться и как "индикаторы" для отслеживания механизма химических реакций.
Прочитав дело компании Corning, автор настоящего изобретения узнал, что добавление приблизительно 8 масс. % диоксида германия (Ge02) к диоксиду кремния (Si02) имеет эффект увеличения показателя преломления чистого кварца (1,4584) приблизительно до 1,466. Но почему, удивлялся автор изобретения, это происходит? Поскольку атомы кремния были лишь на 4,67% имеющими спин, и заменяющие атомы германия были на 7,8% Ge-73, автор настоящего изобретения подумал, что, возможно, основной причиной того, что материалы имеют показатель преломления даже больший, чем показатель преломления воздуха или вакуума (1,000), является присутствие атомов, обладающих электромагнитным спином, и оказывается, что автор настоящего изобретения был прав. Даже тогда автор изобретения понимал, что не знает, имеет ли данный атом изотопа Ge-73 большее влияние в целом на показатель преломления, чем атом изотопа Si-29, но это был вопрос, на который автор изобретения не мог тогда ответить.
Вместе с тем, осознание того, что Si-29 может быть основной причиной тому, что диоксид кремния имеет показатель преломления выше 1,000, привела к ряду идей в быстрой последовательности:
1. Можно бы добавить Si-29 к диоксиду кремния вместо добавления GeC> 2 к диоксиду кремния, чтобы увеличить его показатель преломления выше показателя преломления области оболочки.
2. Можно бы уменьшить пропорцию атомов изотопа Si-29 в области оболочки вместо уменьшения их в сердцевине, и тем самым создав разницу показателей преломления, необходимую для того, чтобы иметь функционирующий оптический волновод.
Любая из этих идей интересна, но они обеспечили бы лишь небольшое увеличение выгоды в отрасли по производству оптоволокна. Любая из этих идей слегка уменьшила бы оптические потери по сравнению с оптическими волокнами, легированными диоксидом германия, но в обоих случаях коэффициент укорочения оставался бы близким к 68% скорости света в вакууме с, характерной для существующих оптических волокон.
Большим вопросом было: насколько низко можно было бы уменьшить показатель преломления сердцевины и оболочки, и чтобы при этом сердцевина и оболочка по-прежнему функционировали бы как волновод? Насколько известно, единственным пределом было то, что невозможно было уменьшить показатель преломления материала оболочки до значения 1,0000 - такого же значения, как у вакуума. И с такой оболочкой сердцевина, по-видимому, должка была бы иметь показатель преломления приблизительно на 0,008 больше, и, таким образом, он был бы 1,0080.
Результирующее волокно имело бы коэффициент укорочения 1/1,008 или 99,2% скорости света в вакууме с. Автор настоящего изобретения понимал, что для пользователей волоконной оптики было очень ценным иметь возможность ускорить сигналы с существующего коэффициента укорочения 0,68 почти до 0,99. Ему не было известно об изобретении оптического волокна с коэффициентом укорочения 98-99% скорости света в вакууме с.
Но ничего удивительного в этом не было, поскольку потребность в изотопах различных элементов мала, и поэтому наука и промышленность лишь изредка пытаются разделить изотопы одного и того же элемента.
В области химии индикаторные (устойчивые) меченые изотопом химические вещества иногда используются для анализа химических реакций.
В начале 2000-х годов были выданы три патента (один компании Deutsche Telekom и два компании Corning) по одному предмету - увеличение устойчивых изотопов. Но единственные изотопные отношения, об изменении которых они говорили, были Si-28 / Si-30 или 0-16 / 0-18 и, в меньшей степени, 0-16 / 0-17. Si-29 просто не рассматривался.
Механизм получения необходимого изотопно-модифицированного предшественника (SiCU; кремния тетрахлорид) уже существует. См. "Silicon Kilogram Project" (в поисковике Google "Silicon Kilogram Sphere"). Они отделили содержащий кремний предшественник (который был, вероятно, силаном (SiH4) или кремния тетрафторидом (SiF4)) в российских газовых центрифугах и позже преобразовали в монокристалл кремния. Вместо этого настоящее изобретение требует превращения силана или тетрафторида кремния в SiCU, который может непосредственно использоваться как исходный материал процессов изготовления оптоволокна того же типа, что и запатентованный компанией Corning в 1976 году.
Разработка оптически прозрачного материала и волновода, имеющего намного уменьшенный показатель преломления, представляет значительное усовершенствование в области оптики и удовлетворяет давно испытываемую потребность инженеров-оптиков.
Раскрытие изобретения
В настоящем изобретении предлагается изотопно-модифицированная версия диоксида кремния (Si02), имеющего показатель преломления где-то ниже естественного значения 1,4584. Это означает, что диоксид кремния с природным
изотопным составом пропускает свет со скоростью (1/1,4584) по отношению к с, где с определена как скорость света в вакууме. (Вакуум по определению имеет показатель преломления точно 1,0000.) Скорость света в вакууме составляет приблизительно 299 700 км/с. По воздуху свет распространяется со скоростью приблизительно 0,999 с. График, показанный на фиг. 1, взят из выпуска 1989 года Британской энциклопедии (Encyclopedia Britannica, изд-во Macropedia, том 23, стр. 665-666). Показанная самая тонкая темная область представляет оптические стекла, имевшиеся в 1880 году. Можно видеть, что в 1880 году не было ни одного известного стекла с показателем преломления ниже приблизительно 1,45. К 1934 году технология продвинулась в точку (см. незатемненную область, помеченную "обычное оптическое"), которая включала стекла с низким показателем преломления 1,40.
Остальная часть графика (слегка затемненная) показывает различные виды стекол, "разработанных с 1934 года". Из них "фторфосфатное" и "фторидное" стекла включают области с показателем преломления приблизительно 1,32. Причина, почему имеющиеся в настоящее время стекла не имеют показателя преломления намного ниже 1,4584, заключается в том, что, в общем и целом, они изготовлены из диоксида кремния с природным изотопным составом. Иными словами, количество Si-29, которое они содержат, составляет природные 4,67 атомных процентов всех атомов кремния. Автор настоящего изобретения открыл, что именно Si-29 (и, в намного меньшей степени, 0-17) почти полностью обуславливает тот факт, что показатель преломления диоксида кремния выше 1,0000. Ученые и инженеры этого не осознают, поскольку они практически никогда не сталкивались с изотопно-модифицированными материалами. Диоксид кремния, с которым они сталкиваются, всегда имеет состав Si-29 4,67 атомных процентов. Диоксид кремния с показателем преломления 1,02 можно изготовить, если он имеет изотопный состав Si-29 0,20 атомных процентов. Диоксид кремния с показателем преломления 1,01 можно изготовить, если он имеет изотопный состав Si-29 0,10 атомных процентов, и т.д. Эффект не точно линейный: эти значения были выбраны в целях иллюстрации.
В частности, настоящее изобретение относится к оптическому волноводу, содержащему диоксид кремния, присутствующий с изотопным составом, меняющимся в изотопе кремния Si-29 и обычно очень обедненным в этом изотопе. Значительное уменьшение изотопного состава Si-29 с 4,67 атомных процентов, обычно встречающейся в природе, приблизительно в 50 раз (до изотопного состава Si-29 приблизительно 0,093%) даст в результате плавленый кварц с показателем преломления приблизительно 1,010. Этот показатель преломления резко отличается от показателя преломления 1,46 плавленого кварца с природным изотопным составом. Целью настоящего изобретения является создание оптического волновода с конкретными улучшениями эксплуатационных характеристик, в том числе:
1. Коэффициент укорочения сигнала, настраиваемый на значение намного выше значения 0,67, обычно связанного с диоксидом кремния с показателем преломления 1,46 (1/1,46 = 0,67). Этот коэффициент укорочения должен быть регулируемым по меньшей мере до 0,995. Это означает, что оптические сигналы будут распространяться по области сердцевины со скоростью 99,5% с. Свет распространяется в чистой воде со скоростью приблизительно 0,750 с. Свет распространяется в обычных типах стекла со скоростью приблизительно 66 % с. Таким образом, сигналы данных смогут проходить приблизительно в 1,5 раза быстрее, чем в обычных оптических волокнах, изготовленных по обычной технологии.
2. Очень большое снижение оптических потерь с 0,191-0,200 дБ/км обычно наблюдается в кварцевых волокнах, легированных диоксидом германия, а также с 0,160 дБ/км, обычно наблюдаемое в кварцевых волокнах с нелегированной сердцевиной. Это снижение будет по меньшей мере в 5 раз больше и, наверное, намного больше, чем в 50 раз при добавлении всех изотопных модификаций. При достижении последнего значения и, таким образом, достижении величины потерь 0,0032 дБ/км волоконные сигналы могли бы передаваться через Атлантический океан с двумя промежуточными повторными усилениями, одним или даже БЕЗ
промежуточного повторного усиления. Это уменьшение рэлеевского рассеяния охватывало бы большую часть полосы 500-1650 нм.
3. Большие снижения хроматической дисперсии и расширения импульсов, соизмеримые со снижением оптических потерь, для включения большей части длин волн видимого спектра 400-700 нм, а также большей части длин волн инфракрасного спектра 700-1650 нм.
В одном варианте осуществления понижение показателя преломления оболочки приблизительно до 1,005 сочетается с показателем преломления сердцевины 1,015, что дает в результат коэффициент укорочения приблизительно 0,985. Это означает, что сигналы данных будет распространяться со скоростью приблизительно 98,5 % скорости света в вакууме. Разница показателей преломления сердцевины и оболочки в этом конкретном варианте осуществления достигается по меньшей мере четырьмя механизмами:
1. Снижение изотопного состава Si-29 в диоксиде кремния области сердцевины приблизительно до 4,67%/30 при изменении изотопного состава Si-29 в области оболочки приблизительно до 4,67%/100.
2. Снижение изотопного состава Si-29 в областях как сердцевины, так и оболочки приблизительно до 4,67%/100 при добавлении некоторого количества изотопа Ge-73 (или большего состава природного изотопа диоксида германия) для увеличения показателя преломления до 1,015.
3. Снижение изотопного состава Si-29 в областях как сердцевины, так и оболочки приблизительно до 4,67%/100 при добавлении состава атомов изотопа кислород-17 выше состава 0,038%, наблюдаемого в природе, достаточного для увеличения показателя преломления сердцевины до уровня, достаточного для поддерживания надлежащего действия волновода.
4. Снижение изотопного состава Si-29 в областях как сердцевины, так и оболочки приблизительно до 4,67% при добавлении в область сердцевины
количеств как изотопа кислород-17, так и изотопа германий-73 (или как атомов изотопа кислород-17, так и некоторого количества диоксида германия, имеющего значительный изотопный состав германия-73), достаточных для увеличения показателя преломления сердцевины до уровня, достаточного для поддерживания надлежащего действия волновода.
В еще одном варианте осуществления контрольные точки показателя преломления для областей сердцевины и оболочки настроены на разные значения, но сохраняют взаимосвязь с таким расчетом, чтобы действовала разница для выполнения действий волновода. Они могут быть настроены, например, на показатель преломления сердцевины 1,04 и показатель преломления оболочки 1,03.
Этот выбор снижает требования к очистке изотопного образца материала-предшественника. Область сердцевины требуется лишь изготовить из атомов кремния с составом Si-29, уменьшенным в 12 раз по сравнению с 4,67 атомными процентами, наблюдаемыми в естественных образцах, в то время как область оболочки требуется лишь изготовить из атомов кремния с составом Si-29, уменьшенным в 17 раз по сравнению с 4,67 атомными процентами атомов изотопа Si-29.
В еще одном варианте осуществления области как сердцевины, так и оболочки изготовлены почти полностью из диоксида германия (ОеОг), изотопно-модифицированного для уменьшения нормального состава атомов изотопа Ge-73 в 100 и 300 раз соответственно (7,8 атомных процентов/100 и 7,8 атомных процентов/300 соответственно, аналогично пункту 1 выше). Подобным образом, в еще одном варианте осуществления области как сердцевины, так и оболочки изготовлены почти полностью из диоксида германия, изотопно-модифицированного для уменьшения нормального состава Ge-73 в 300 раз (7,8%/300), но показатель преломления сердцевины увеличен путем добавления
небольшого количества легирующей примеси из атомов изотопа Si-29 и (или) атомов изотопа 0-17.
В еще одном варианте осуществления, и для уменьшения количества изотопно-модифицированного материала, которое должно использоваться, область сердцевины изготовлена так, чтобы непосредственно быть окруженной внутренней областью оболочки, а затем наружной областью оболочки, с возможностью, чтобы материал, используемый в наружной области оболочки, был обеднен в меньшей степени изотопами S9-29. Например, сердцевина может быть настроена на показатель преломления 1,015, внутренняя оболочка может быть настроена на показатель преломления 1,005, а наружная оболочка может изготавливаться с составом изотопа Si-29 (или, альтернативно, Ge-73), идентичной или ближе, чем к составом 4,67 атомных процентов (для Si-29) или 7,8 атомных процентов (для Ge-73) этих видов, наблюдаемых в естественных соотношениях изотопов, встречающихся в земных образцах. Этот способ изготовления позволит минимизировать расходы на используемый материал. Следует, однако, отметить, что в этом способе диаметр поверхности сопряжения внутренняя оболочка/наружная оболочка должен быть достаточно больше диаметра поверхности сопряжения сердцевина/внутренняя оболочка для обеспечения, что в область наружной оболочки сможет "утечь" и потеряться, тем самым увеличивая общее затухание в волокне, не более чем приемлемая часть света. Специалист в области оптоволоконной науки и техники сможет математически предсказать и отдельно подтвердить экспериментальным путем, что наружный диаметр области внутренней оболочки достаточно больше диаметра области сердцевины для снижения потерь до приемлемых уровней.
ИСТОЧНИК ИЗОТОПНО-МОДИФИЦИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Диоксид кремния получают из кремнийсодержащих предшественников, обедненных атомами изотопа Si-29. Эти кремнийсодержащие предшественники могут быть по меньшей мере трех типов:
1) Обогащенные в изотопном составе атомами изотопа Si-28 приблизительно до 99,5 атомных процентов и обедненные атомами изотопа Si-ЗО до очень малого или пренебрежимо малого количества. Такое изотопное распределение можно ожидать на выходе газовой центрифуги, выбирая легкие молекулы SiF4 или SiH4.
2) Обогащенные в изотопном составе атомами изотопа Si-ЗО приблизительно до 90 атомных процентов или более и обедненные атомами изотопа Si-28 до 10% или менее. Это тоже был бы продукт на выходе газовой центрифуги, выбирая тяжелые молекулы ...
3) Обедненные в изотопном составе атомами изотопа Si-29 от природного состава 4,67 атомных процентов, но в остальном без значительного изменения относительного состава атомов изотопов Si-28 и Si-30.
В каждом из этих примеров состав Si-29 задается равным величине, рассчитанной для достижения конкретного показателя преломления для нанесенного кварцевого материала.
В одном типичном варианте осуществления, использующем диоксид кремния с изотопным распределением атомов кремния приблизительно с 0,1% атомов изотопа Si-29, основная разница между 90%+ атомов изотопа Si-ЗО, пункт 2 выше, и 99,5% атомов изотопа Si-28 даст в результате широкую полосу пропускания для передач ИК-сигналов при длинах волн выше 1600 нм. Конкретную протяженность расширенного спектра передачи и цифры потерь невозможно легко предсказать до изготовления волокон, но понятно, что эти дополнительные используемые частоты, особенно при потерях намного ниже 0,1 дБ/км, не предполагались известными техническими решениями по оптическим волноводам. Понятно также, что эти дополнительные используемые частоты не предусматривались или не предвиделись сопровождаемыми полосами передачи приблизительно от 1400 нм, которые в равной степени пригодны для использования благодаря передаче со сверхнизкими потерями.
Понимания других целей настоящего изобретения и его более полного и всестороннего понимания можно достичь путем обращения к прилагаемому графическому материалу и изучения последующего описания лучшего варианта осуществления изобретения.
Краткое описание графического материала
Фиг. 1 представляет собой график зависимости показателя преломления п и сжимания v для ряда оптических стекол. Источник: Glass in the Modern World, автор: F.J. Terence Maloney, 1968, Doubleday & Company, Inc.
Фиг. 2 представляет собой воспроизведение публикации 2003/0002834, фиг. 1.
Фиг. 3 представляет собой воспроизведение патента 6490399, фиг. 1.
Фиг. 4 представляет собой воспроизведение патента 681097, фиг. 4.
Фиг. 5 представляет собой воспроизведение патента 6810197, фиг. 5.
Фиг. 6 представляет собой воспроизведение патента 6810197, фиг. 9
Фиг. 7 представляет собой воспроизведение патента 6810197, фиг. 12.
Фиг. 8 представляет собой воспроизведение патента 6810197, фиг. 10
Фиг. 9 представляет собой воспроизведение патента 6810197, фиг. 11
Фиг. 10 представляет собой воспроизведение патента 6810197, фиг. 2.
Лучший вариант осуществления изобретения
ПРЕИМУЩЕСТВА НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Благодаря наличию материалов стекла с показателем преломления столь малым, как 1,001, за счет уменьшения состава Si-29 с природных 4,67 атомных процентов приблизительно до 0,01% или даже ниже, показатель преломления сердцевины в волноводе может быть приблизительно 1,001-1,002, и, таким
образом, "коэффициент укорочения" сигналов, передаваемых по этому волокну, мог бы быть, по меньшей мере, столь высоким, как (1/1,001) или 99,9% с.
В существующих оптоволоконных кабелях обычно используются волноводы, действующие с коэффициентом укорочения приблизительно (1/1,47) или 68% с. Сигнал может передаваться на расстояние приблизительно 6 000 километров -приблизительно расстояние по кабелю между Нью-Йорком и Лондоном - с односторонней задержкой около 36 миллисекунд. Даже при использовании предложенного ныне маршрута, запроектированного более прямолинейным и более прямым, расстояние по кабелю 5000 км и односторонняя задержка 30 миллисекунд - это минимум, что может обеспечить нынешняя технология.
С другой стороны, преобразование волокна в волокно, имеющее коэффициент укорочения 99,5% вместо нынешнего типичного значения 68%), дает в результате одностороннюю задержку на более длинном маршруте около 2/3 от 36 миллисекунд или 24 миллисекунды. Использование этого более быстрого волокна на более коротком маршруте, который по расчетам имеет одностороннюю задержку 30 миллисекунд с обычным кабелем, даст одностороннюю задержку 2/3 от 30 миллисекунд или 20 миллисекунд.
Этот вид разницы задержки сигнала крайне важен для интерактивного видео в реальном времени, ответа сервера, поиска в базе данных, игр в сети Интернет и вообще телефонной связи с малым временем задержки. Кроме того, он позволяет базе данных и другим серверам находиться дальше от пользователей при тех же задержках.
Особенно это почувствует финансовый рынок, например, фондовые биржи. Дополнительная задержка в несколько миллисекунд в каждую сторону могла бы стоить фирме с большим объемом торговли акциями десятки миллионов долларов в месяц. Уменьшение на треть задержки между Нью-Йорком и Лондоном или между Нью-Йорком и Лос-Анджелесом с 36 миллисекунд до 24 или даже 20 миллисекунд теснее свяжет не просто одну страну, а, в конечном счете, весь мир.
Еще одно использование - игры в сети Интернет. Сегодня два пользователя, находящиеся, скажем, в Нью-Йорке и Сиднее, Австралия, могут сцепиться в (бескровном) цифровом поединке, причем их компьютеры узнают о том, что сделал противник, всего лишь 100 миллисекунд спустя. Эти задержки, хотя и кажущиеся малыми, являются весьма ощутимыми и существенно влияют на протекание игр. Уменьшение на треть со 100 миллисекунд до 67 миллисекунд односторонней задержки в линии связи обеспечит минимальную теоретически возможную задержку.
ПРЕИМУЩЕСТВА В ЧАСТИ ОПТИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ
Давно принято, что минимальные оптические потери для волновода с сердцевиной из чистого кварца при минимальных потерях при длине волны около 1560 нм составляют 0,151 дБ/км. Это мнение несколько изменилось с возможностью замещения Si-28 на Si-ЗО и замещения 0-16 на 0-18. Но улучшения до уровня ниже 0,10 дБ/км по-прежнему представляются труднодостижимыми и считаются дорогостоящими.
Настоящее изобретение путем уменьшения изотопного состава Si-29 в 50, 100 или более раз снижает оптические потери в 10 раз и весьма возможно в 100 или более раз. Это позволяет добиться расстояний между повторителями 5000 километров или более.
ПРЕИМУЩЕСТВА ЗА СЧЕТ УВЕЛИЧЕНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ ПОЛОСЫ ПРОПУСКАНИЯ
Нынешняя оптическая полоса пропускания между 1510 и 1610 нанометрами увеличивается в соответствии с настоящим изобретением по меньшей мере до 1450-1800 нм и, вполне возможно, 1230-2000 нм. Хотя полное использование некоторых из этих длин волн будет ожидать производства подходящих лазеров передатчика и детекторов, большая часть этой новой области пропускания должна быть доступной почти сразу же. В любом случае это волокно с новой пропускной способностью может устанавливаться сразу же, использоваться в
традиционной полосе 1510-1610 нм, и диапазоны волн могут расширяться по мере разработки соответствующих приемников и передатчиков.
Однако, мало толку просто от возможности увеличить ширину полосы пропускания оптического волокна с 1510-1610 нм, чтобы включить, скажем, полосу 1610-1710 нм, как предусмотрено в патенте 6810197, без согласования волоконных усилителей, которые бы (если бы имелись) усиливали эту дополнительную ширину полосы. Волоконные усилители, основанные на эрбии, усиливают приблизительно в области 1520-1565 нм полосы, делая ее основной областью пропускания. Хотя и можно было бы в каждом усилителе обнаруживать и повторно передавать эти сигналы, это было бы дорого и сделало бы ненужной дополнительную ширину полосы. Для достижения большей пропускной способности могло бы быть дешевле просто проложить дополнительные волокна.
Если бы, напротив, эту ширину полосы можно было сделать не только доступной, но и доступной с потерями приблизительно 0,01-0,02 дБ/км, можно было бы использовать намного более широкую полосу, и даже вовсе без использования каких-либо волоконных усилителей (или, самое большее, один усилитель с функциями обнаружения и повторной передачи приблизительно посредине Атлантики).
Ширина полосы, которая может использоваться в соответствии с настоящим изобретением, находится в пределах приблизительно 1430-1750 нм -приблизительно 320 нм, в семь раз шире, чем 45 нм полосы 1520-1565 нм, и эта полоса предназначена для использования обычного изотопного распределения Si-28 против Si-ЗО и 0-16 против 0-18. При использовании почти полностью Si-30, а также почти полностью 1 0-18 ширина полосы, сделанная доступной, увеличивается до 1430-2000 нм или 570 нм - приблизительно в 13 раз шире, чем полоса 1520-1565 нм.
ЗНАЧИТЕЛЬНО МЕНЬШИЙ КОЭФФИЦИЕНТ ДИСПЕРСИИ, ОБУСЛОВЛЕННОЙ МАТЕРИАЛОМ
Значительное снижение состава атомов изотопа Si-29 в материале волновода приведет к сопоставимо значительному уменьшению общей дисперсии изготовленного оптического волновода. См. фиг. 6 и 7. Часть дисперсии, относимая к самому волноводу (см. фиг. 8), будет, вероятно, оставаться неизменной, и дисперсию профиля можно выбрать такой, чтобы нейтрализовать любую остаточную общую дисперсию, которая может остаться после завершения других процессов изотопной модификации. Специалист в области проектирования оптоволоконных волноводов сможет определить различные замещения сердцевины относительно оболочки, которые обеспечат требуемый уровень дисперсии.
В настоящем изобретении предлагается перепроектированный оптический волновод со значительным снижением изотопного состава Si-29 в областях сердцевины и оболочки (снижение изотопного состава Si-29 приблизительно в 3100 раз по сравнению с естественными 4,67 атомных процентов всех присутствующих атомов кремния), что даст в результате значительное изменение кривой "Дисперсия материала (сердцевина)", аналогичной показанной на фиг. 6, и намного меньшее изменение (если таковое вообще будет иметь место) кривой "Дисперсия волновода", аналогичной показанной на фиг. 8, профиля D (дисперсии), в сочетании с "0-8 сердцевина/О-16 оболочка", аналогичного показанному на фиг. 9.
Иными словами, монотонно возрастающая и прямая линия 4 на фиг. 9 компенсирует частично монотонно падающую и прямую линию (линии) линий 1-4 на фиг. 8. Остаток прибавления этих значений можно объединить с Si-29-приведенной кривой, аналогичной фиг. 6, линия 4, которая, как можно ожидать, будет иметь намного меньший наклон, чем кривая в патенте 6810197.
Благоразумно выбранная, общая дисперсия, аналогичная "Общей дисперсии" на фиг. 7, будет линейной суммой "Дисперсии материала", "Дисперсии волновода"
и "Дисперсии профиля" и может быть ниже величины 1,0 пс/нм/км, что является очень значительным снижением со значения приблизительно 20 пс/нм/км при длине волны 1,6 микрон с обычным изотопным распределением "0-16 сердцевина/О-16 оболочка", которое показано на фиг. 7.
Ученым и инженерам в области оптоволоконных волноводов давно известна необходимость использования волокон с компенсацией дисперсии (DCF). Целью этих волокон, которые используются на относительно коротких расстояниях (по сравнению с сотнями или тысячами километров, присутствующими в типичных линиях связи оптического волновода), является противодействие и, таким образом, полная или частичная нейтрализация разницы времени прибытия частей данного оптического сигнала с разными длинами волн. Их использование может быть критическим для достижения максимальной битовой скорости передачи данных (технически, символьной скорости передачи), которую данный реальный канал передачи данных может обеспечить. Причина заключается в том, что дисперсия стремится размывать во времени время прибытия передач оптических сигналов, составляющих данный бит.
Например, символьная скорость 40 Гбит/с (40 млрд. бит в секунду) подразумевает время прохождения бита (1/40 000 000 000) = 25 пикосекунд, если в каждом символе оптического сигнала присутствует один бит. Эта скорость -40 Гбит/с - является самой высокой коммерчески доступной скоростью передачи данных, используемой в недавно проложенных (или модернизированных) линиях передачи данных. Но что толку с того, что имеешь оптический детектор, способный обнаруживать минимальное время сигнала 25 пикосекунд, если этот бит (символ) растянут во времени, скажем, на 50 пикосекунд или более. Поскольку ширина полосы длин световых волн сигнала со скоростью 40 Гбит/с будет приблизительно минимум 0,3 нанометра (по закону Фурье), обычное волокно без компенсации дисперсии с дисперсией 20 пс/нм/км будет добавлять вызванное дисперсией размывание во времени 25 пикосекунд через приблизительно четыре километра длины волокна. Нетрудно
понять, что компенсация этой дисперсии важна для обеспечения поддерживания 40 Гбит/с даже для коротких расстояний волокна.
Хотя значительная часть дисперсии оптического волокна в настоящее время компенсируется благодаря использованию продукции с компенсацией дисперсии, полнота любой этой компенсации обычно ограничивается величиной менее 100%. Таким образом, чем лучше основное волокно (чем ниже его исходная дисперсия), тем лучшей конечной дисперсии оптической линии связи с компенсацией можно ожидать. Перспективы уменьшения собственной дисперсии волокна без компенсации в 10 раз или более в соответствии с настоящим изобретением открывают перспективы подобного улучшения с компенсацией дисперсии сигнала.
В НАСТОЯЩЕМ ИЗОБРЕТЕНИИ МОГУТ ИСПОЛЬЗОВАТЬСЯ ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ИЗ ПАТЕНТА США № 4435040
Ожидается, что для оптических волноводов, изготовленных в соответствии с настоящим изобретением, можно будет также использовать процесс с двойной оболочкой, описанный в патенте США № 4435040, с определенными предосторожностями и изменениями. Во-первых, следует помнить, что в волноводах по существующей технологии сердцевина и оболочка имеют показатели преломления, очень близкие к показателю преломления диоксида кремния с природным изотопным распределением 1,46. Физическая длина волны оптического сигнала в этом волноводе составляет, например, 1510 нанометров, деленные на 1,46, или приблизительно 1050 нанометров. Напротив, в волноводе, показатели преломления которого приблизительно 1,01, физическая длина в этом волноводе составляет 1510 нанометров/1,01 или приблизительно 1495 нанометров. Поскольку поведение волны в волноводе основывается на размере направляющей по сравнению с размером оптической волны, следует ожидать, что размеры компонентов волновода, таких, как сердцевина и оболочка, будут выбраны с коэффициентом приблизительно 1,46/1,01 или в 1,45 раз больше, чем волокна по существующей технологии, во всем остальном будучи одинаковыми.
Если, например, в патенте 4435040 оговаривается эффективный диаметр сердцевины более 2x4 микронов или 8 микронов, это переведется в диаметр сердцевины 8 микронов х 1:45 или приблизительно 11,6 микронов. Подобным образом, если в патенте 4435040 оговаривается разница приблизительно 0,5-0,8 между радиусом сердцевины и радиусов внутренней оболочки, эта разница будет применена к 11,6 мкм, что даст OD внутренней оболочки приблизительно 23,2-14,5 микронов.
Кроме того, в патенте 4435040 прогнозируется, что толщина области наружной оболочки должна быть приблизительно в 6-8 раз больше радиуса сердцевины или (6-8) х (5,8 микронов) или 34,8-46,4 микронов, что даст OD области наружной оболочки 11,6 + 2(34,8-46,6) или 81,2-104,8 микронов. Снаружи области наружной оболочки допускается присутствие области еще одной оболочки, возможно, с показателем преломления, равным показателю преломления обычного диоксида кремния или 1,46.
Еще одно предупреждение: во многих патентах, подобно патенту 4435040, упоминаются изменения показателя преломления материала в процентах, например, "0,1-0,6 %" от величины, которую можно ожидать близкой к показателю преломления диоксида кремния с природным изотопным распределением 1,46. Это переводится в изменение 1,46 в 0,1% раз или разницу 0,00146 - 0,6 % 1,46 или приблизительно 0,00876.
Но если материал диоксида кремния изотопно-модифицирован для значительного снижения состава Si-29, например, приблизительно до одной сотой природных 4,67 атомных процентов Si-29, и, таким образом, показателя преломления, равного приблизительно 1,005, уменьшить это значение (1,005) на 0,00876 невозможно: показатель преломления реальных однородных материалов не может быть ниже показателя преломления вакуума или 1,0000. Следовательно, процентные изменения в отношении показателей преломления (например, "0,1-0,6 %") нельзя использовать буквально: они должны переводиться, чтобы отразить то, что, вероятно, намечалось - разницу
численного значения показателя преломления выше показателя преломления 1,000. Можно рассчитывать, что специалист в области проектирования оптических волноводов, сможет успешно перевести принципы, предназначенные для материалов с показателем преломления около 1,46, применительно к новым материалам с показателями преломления ближе к 1,00.
ПОКАЗАТЕЛЬ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ПЛАВЛЕННОГО КВАРЦА КАК ФУНКЦИЯ ИЗОТОПНОГО СОСТАВА АТОМОВ ИЗОТОПА Si-29
Как уже отмечалось, показатель преломления диоксида кремния будет изменяться при изменении изотопного процентного состава кремния-29 от его нормального (наблюдаемого в природе) значения 4,67 атомных процентов. Для того чтобы рассчитать показатель преломления диоксида кремния для данного состава Si-29, используют следующую формулу:
Показатель преломления (диоксид кремния) = Корень квадратный из (1 + (1,131 ((атомный процент Si-29)/4,67%)))
ПРИМЕР
ТАБЛИЦА ДЛЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ СТЕКЛА ИЗ ПЛАВЛЕННОГО КВАРЦА
ИЗОТОПНЫЙ СОСТАВ
Si-29 (атомные проценты)
ПОКАЗАТЕЛЬ ПРЕЛОМЛЕНИЯ СТЕКЛА ИЗ ПЛАВЛЕНОГО КВАРЦА
0,467%
0,0467%
0,117%
(1/10 естественного значения)
(1/100 естественного значения)
(1/40 естественного значения)
1,056
1,0056
1,0140
Эти цифры не учитывают небольшой вклад состава кислорода-17 в общий показатель преломления стекла из плавленого кварца.
Разница между показателем преломления плавленого кварца с составом Si-29 1/40 естественного значения и показателем преломления плавленого кварца с составом Si-29 1/100 естественного значения: 1,0140-1,0056 = 0,0084.
Эта разница приблизительно равна разницам показателей преломления, используемым в типичных одномодовых оптических волноводах. Из этого следует, что оптический волновод можно сконструировать с областью сердцевины, содержащей чистый плавленый кварц с изотопным составом кремния 0,117 атомных процентов, и областью оболочки, содержащей чистый плавленый кварц с изотопным составом кремния 0,0467 атомных процентов. Специалисту в области проектирования и изготовления оптических волноводов ясно, что поскольку независимый и точный контроль показателя преломления чистого плавленого кварца можно поддерживать без добавления каких-либо сторонних легирующих примесей, проектировщик оптических волноводов будет иметь намного больший контроль оптических характеристик, чем был раньше.
Наиболее очевидным усовершенствованием, которого можно добиться, является конструкция оптического волновода, в котором использован материал с показателем преломления сердцевины 1,02. Результирующий коэффициент укорочения будет приблизительно (1/1,02) или 98% с. Волокна с такой характеристикой при их использовании значительно уменьшат временную задержку данных.
Вторым усовершенствованием, несколько менее очевидным, является то, что поскольку атомы изотопа Si-29 сами представляют собой легирующую примесь, и поскольку оптические потери являются функцией рэлеевского рассеяния, вызванного атомами легирующей примеси, снижение концентрации атомов изотопа Si-29 в 40 раз (из вышеприведенного примера) может привести к 40-кратному снижению оптических потерь со значения 0,19 дБ/км, обычно наблюдаемого в оптических волокнах с легированной диоксидом германия сердцевиной и кварцевой оболочкой. Оптические потери такой величины, возможно, до 0,005 дБ/км, могут практически устранить необходимость в
оптических усилителях за исключением очень длинных волоконных линий связи.
Такое значительное снижение собственных потерь кварца может выявить дефекты и недостатки изготовления, которые придется исправлять, и исследования, направленные на уменьшение потерь в соединениях, обретут новую, большую настоятельность: соединение, которое теряет 0,2 дБ, могло считаться приемлемым, когда эти потери были эквивалентными потерям в 1,0 км волокна (0,19 дБ/км), но они станут абсолютно неприемлемыми, если будут рассматриваться как эквивалент потерям в 40 км волокна (40 х 0,005 дБ/км).
Третьим усовершенствованием будет, очень вероятно, значительное уменьшение хроматической дисперсии самого кварца, возможно, в 40 раз, при 40-кратном снижении состава атомов изотопа Si-29, как описано в примере выше. Поскольку общая дисперсия волновода является функцией суммы дисперсий, вызванных не только материалом, но и геометрией самого волновода, предсказать общие усовершенствования, которых можно было бы достичь, тяжелее, но снижение общей дисперсии в 10 раз по величине вполне вероятно. Это усовершенствование обеспечило бы более высокие символьные скорости (часто равные битовым скоростям) и могло бы значительно уменьшить необходимость в сложных компенсациях дисперсии, используемых в настоящее время.
Четвертым усовершенствованием станет значительное увеличение ширины доступных оптических частот, особенно, если одинаковое 40-кратное снижение, сопоставимое с 40-кратным снижением состава атомов изотопа Si-29 в примере, описанном выше, претерпевает все оптические потери. В настоящее время самые длинные линии передачи данных ограничиваются длинами волн около 1540 нанометров, но используемые области можно расширить, возможно, до 500-2000 нанометров с ограничениями около 950 нм и 1400 нм. Должны стать доступными вспомогательная оптика и электроника, но данное волокно, будучи установленным, может позже использоваться для охвата этих новых областей длин волн.
ПРИМЕРЫ
1. Оптический волновод мог бы содержать слой оболочки, изготовленный из высокочистого оптического стекла, преимущественно из диоксида кремния и (или) диоксида германия, и область сердцевины, изготовленной из высокочистого оптического стекла, преимущественно из диоксида кремния и (или) диоксида германия, причем любое или оба из указанных стекол содержат атомы кремния, из которых менее 4,44 атомных процентов составляют атомы изотопа кремний-29, и (или) содержат атомы германия, из которых менее 7,41 атомных процентов составляют атомы изотопа германий-73.
Каждый процентный состав мог бы составлять 0,95 изотопного состава атомов изотопов Si-29 и Ge-73, обычно наблюдаемого в наземных образцах каждого элемента.
Если этот волновод изготовлен из диоксида кремния, по меньшей мере 10% указанных атомов кислорода в сердцевине или оболочке соответственно могли бы быть кислородом-18.
2. Оптический волновод мог бы содержать слой оболочки, изготовленный из высокочистого оптического стекла, преимущественно из диоксида кремния и (или) диоксида германия, и область сердцевины, изготовленной из высокочистого оптического стекла, преимущественно из диоксида кремния и (или) диоксида германия, в которых по меньшей мере 50 мольных процентов кислорода в сердцевине и (или) по меньшей мере 50 процентов кислорода в оболочке представляют кислород-18. Однако, кроме того, область сердцевины и (или) область оболочки могли бы содержать изотоп кислород-17 в концентрации менее 5 атомных процентов количества изотопа кислород-18.
3. Оптический волновод мог бы содержать слой оболочки, изготовленный из высокочистого оптического стекла, преимущественно из диоксида кремния и (или) диоксида германия, и область сердцевины, изготовленной из высокочистого оптического стекла, преимущественно из диоксида кремния и
(или) диоксида германия, в которых по меньшей мере70 атомных процентов кислорода в сердцевине и (или) оболочке представляют изотоп кислород-18. Однако, кроме того, количество атомов изотопа кислород-17 менее 5 атомных процентов общего состава атомов кислорода.
4. Любой из оптических волноводов в примерах 1, 2, дополнительно содержащий легирующую примесь в сердцевине и (или) оболочке. Однако не требуется, чтобы легирующая примесь в сердцевине была идентичной легирующей примеси в оболочке, равно как чтобы они присутствовали в сердцевине и оболочке в идентичных концентрациях. Легирующей примесью (примесями) может быть германий с природным изотопным составом, германий с любым не природным изотопным составом, или изотоп Si-29, или фосфор, или их сочетание.
5. Во всех оптических волноводах примеров 1, 2, 3 объемный процент области, содержащей SiOz, обедненный на Si-29, или объемный процент области, содержащей Ge02, обедненный на Ge-73, мог бы быть менее 50%.
6. В оптическом волноводе примера 1 по меньшей мере 70 атомных процентов кислорода в сердцевине могли бы быть изотопом кислород-18, или по меньшей мере 70 атомных процентов кислорода в области оболочке, прилегающей к сердцевине, могли бы быть изотопом кислород-18, и количество изотопа кислород-17 могло бы быть менее 5 атомных процентов общего состава атомов кислорода в этих областях соответственно.
7. В любом из предлагаемых оптических волноводов настоящего изобретения сердцевина могла бы иметь постоянный или градиентный показатель преломления.
8. В любом из предлагаемых оптических волноводов волокно могло бы быть окружено наружным слоем, изготовленным из стекла или пластика.
9. В любом из предлагаемых оптических волноводов настоящего изобретения стеклянный материал мог бы включать чистое или легированное стекло из
диоксида германия с изотопным составом изотопа Ge-73, уменьшенным до максимум 7,2 атомных процентов в областях сердцевины и (или) оболочки.
10. В любом из предлагаемых оптических волноводов настоящего изобретения изотопный состав 0-18 мог бы быть повышенным в области сердцевины и (или) области оболочки минимум до 10 атомных процентов и максимум до 100 % общего состава присутствующих атомов кислорода.
11. В любом из предлагаемых оптических волноводов настоящего изобретения изотоп Si-29 присутствует как легирующая примесь в сердцевине и (или) оболочке.
12. В любом из предлагаемых оптических волноводов изотопный состав 0-17 мог бы быть выше естественного изотопного отношения О0-17 0,038 атомных процентов, наблюдаемого на Земле.
13. В любом из предлагаемых оптических волноводов настоящего изобретения изотопный состав 0-17 может быть снижен в сердцевине или оболочке с природного изотопного состава О-17 0,038 атомных процентов, наблюдаемого на Земле. Кроме того, изотоп Si-29 может присутствовать в сердцевине и (или) оболочке с природным или не природным составом.
14. Предлагаемые оптические волноводы настоящего изобретения могут быть спроектированы так, чтобы разница показателей преломления областей сердцевины и оболочки обеспечивалась, полностью или частично, разницей изотопных составов Si-29 в кремнии или разницей изотопных составов Ge-73 в германии большей 0,001 атомного процента.
15. В любом предлагаемом оптическом волноводе настоящего изобретения группы -ОН могут быть уменьшенными посредством промывки дейтерием, как описано в реферате патентного документа Японии JP-A-60090845.
16. В любом предлагаемом оптическом волноводе настоящего изобретения показатель преломления оболочки может быть уменьшен соединением фтора.
10.
Кроме того, изотопный состав Si-ЗО и (или) 0-18 может быть выше, чем их природный изотопный состав в сердцевине и (или) оболочке.
17. В настоящем изобретении также предлагается оптически прозрачный материал, изготовленный, главным образом, из диоксида кремния и (или) диоксида германия, изотопно-модифицированный, чтобы содержать менее 4,44 атомных процентов атомов изотопа Si-29, или менее 7,41 атомных процентов атомов изотопа Ge-73, или более 4,90 атомных процентов атомов изотопа Si-29, или более 8,18 атомных процентов атомов изотопа Ge-73.
18. В любом из предлагаемых оптических волноводов настоящего изобретения оболочка или слои оболочки могут быть легированными изотопно-модифицированной выборкой атомов германия, или, таким образом, может модифицироваться внутренний слой оболочки, чтобы изотопное распределение присутствующих атомов германия уменьшилось в части изотопа Ge-73 максимум до 7,2 атомных процентов. Предпочтительно количество диоксида германия находится в пределах 0,005-1 масс. %, предпочтительнее приблизительно 0,1 - приблизительно 0,5 масс. % и наиболее предпочтительно приблизительно 0,1 - приблизительно 0,3 масс. %.
Настоящее изобретение описано со ссылками на конкретные варианты его осуществления. Однако специалистам в области, к которой относится настоящее изобретение, должно быть очевидным, что возможны другие изменения и усовершенствования в пределах сущности и объема последующей формулы изобретения.
Формула изобретения 1. Оптический волновод, содержащий:
a) слой оболочки из первого высокочистого оптического стекла, причем указанное первое высокочистое оптическое стекло содержит одно из: диоксида кремния, диоксида германия и смеси диоксида кремния и диоксида германия, причем указанное первое высокочистое оптическое стекло имеет первый показатель преломления;
b) область сердцевины из второго высокочистого оптического стекла, причем указанное второе высокочистое оптическое стекло содержит одно из: диоксида кремния, диоксида германия и смеси диоксида кремния и диоксида германия, причем указанное второе высокочистое оптическое стекло имеет второй показатель преломления;
причем атомное процентное отношение Si-29 относительно всех остальных изотопов Si в указанном диоксиде кремния является одним из:
более 0 и менее 4,44; и
более 4,90 и менее или равно 100;
причем атомное процентное отношение Ge-73 относительно всех остальных изотопов Ge в указанном диоксиде германия является одним из следующих:
более 0 и менее 7,41; и
более 8,18 и менее или равно 100.
2. Волновод по п. 1, отличающийся тем, что атомное процентное отношение О-17 относительно всех остальных изотопов О в одном из: диоксида кремния, диоксида германия и смеси диоксида кремния и диоксида германия, является одним из:
более 0 и менее 0,038; и
более 0,038 и менее или равно 100.
3. Волновод по п. 1, отличающийся тем, что указанный первый показатель преломления выше указанного второго показателя преломления.
4. Волновод по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере 10% атомов кислорода в указанном диоксиде кремния представляют собой кислород-18.
5. Волновод по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере 50 мольных процентов кислорода в указанной области сердцевины представляют собой кислород-18, и менее 5 атомных процентов кислорода в указанной области сердцевины представляют собой кислород-17.
6. Волновод по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере 50 мольных процентов кислорода в указанной области оболочки представляют собой кислород-18, и менее 5 атомных процентов кислорода в указанной области оболочки представляют собой кислород-17.
7. Волновод по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере 70 атомных процентов кислорода в указанной области сердцевины представляют собой кислород-18, и менее 5 атомных процентов кислорода в указанной области сердцевины представляют собой кислород-17.
8. Волновод по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере 70 атомных процентов кислорода в указанной области оболочки представляют собой кислород-18, и менее 5 атомных процентов кислорода в указанной области оболочки представляют собой кислород-17.
9. Оптический волновод по п. 1, отличающийся тем, что указанная область оболочки дополнительно содержит легирующую примесь.
10. Оптический волновод по п. 1, отличающийся тем, что указанная область сердцевины дополнительно содержит легирующую примесь.
11. Оптический волновод по пп. 8 или 9, отличающийся тем, что указанную легирующую примесь выбирают из группы, состоящей из германия с природным изотопным распределением, германия с неприродным изотопным распределением, кремния-29, фосфора, кремния-29 и их смесей.
12. Оптический волновод по п. 1, отличающийся тем, что объемный процент области, содержащей диоксид кремния, содержащий менее 4,67 атомных процентов Si-29, составляет менее 50.
13.Оптический волновод по п. 1, отличающийся тем, что объемный процент области, содержащей диоксид германия, содержащий менее 7,8 атомных процентов Ge-73, составляет менее 50.
14. Оптический волновод по п., отличающийся тем, что указанные показатели преломления изменяются радиально.
15.Оптический волновод по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит наружный слой, окружающий указанный слой оболочки.
16. Оптический волновод по п. 14, отличающийся тем, что указанный наружный слой состоит из вещества, выбранного из группы, содержащей стекло и пластик.
17. Оптический волновод по п. 1, отличающийся тем, что концентрация гидроксила в указанных первом и втором высокочистых оптических стеклах снижена.
18. Оптический волновод по п. 16, отличающийся тем, что снижение гидроксила осуществлено посредством промывки дейтерием.
19. Оптический волновод по п. 1, отличающийся тем, что указанное первое высокочистое стекло дополнительно содержит фторсодержащее соединение, посредством которого указанный первый показатель преломления дополнительно снижается.
16.
20. Оптический волновод по п. 1, отличающийся тем, что указанная область оболочки дополнительно содержит 0,005-1 масс. % диоксида германия.
21. Оптический волновод по п. 1, отличающийся тем, что указанная область оболочки дополнительно содержит 0,1-0,5 масс. % диоксида германия.
22. Оптический волновод по п. 1, отличающийся тем, что указанная область оболочки дополнительно содержит 0,1-0,3 масс. % диоксида германия.
23. Оптически прозрачный материал, содержащий:
диоксид кремния и диоксид германия и смесь диоксида кремния и диоксида германия;
причем атомное процентное отношение Si-29 относительно всех остальных изотопов Si в указанном диоксиде кремния является одним из:
более 0 и менее 4,44; и
более 4,90 и менее или равно 100;
причем атомное процентное отношение Ge-73 относительно всех остальных изотопов Ge в указанном диоксиде германия является одним из:
более 0 и менее 7,41; и
более 8,18 и менее или равно 100.
24. Оптически прозрачный материал по п. 23, отличающийся тем, что атомное
процентное отношение О-17 относительно всех остальных изотопов О в
одном из следующих: диоксид кремния, диоксид германия и смесь диоксида
кремния и диоксида германия является одним из следующих:
более 0 и менее 0,038; и
более 0,038 и менее или равно 100.
фторфосфатное
титановое
Фиг. 1
1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9
Длина волны (мкм)
Фиг. 2
Известный
уровень
техники
ч о со
х =
Дб/км
0,1 -1
Известный
|^ | уровень i техники
? 0,01 ->
Поглощение в ИК области спектра Рэлеевское рассеяние УФ
Общие потери
0,001
-т Г" "" i
1,2 1,4 1,6
Длина волны (мкм)
-т- 1,8
Поглощение в ИК области спектра Рэлеевское рассеяние УФ
Общие потери
1,5 1,6 1,7
Длина волны (мкм)
Известный уровень
техники
н я S
и О.
в и
ш в
Известный
уровень
техники
016 018 016 018
1,3
1,4 1,5 1,6 1,7 Длина волны (микроны)
серцевина / 016 оболочка
серцевина / 018 оболочка
серцевина / 018 оболочка
серцевина/016 оболочка " _
1,8
Фиг. 8
"=(
Известный
уровень
техники
1,2,3,4
1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 Длина волны (микроны)
1. 016 серцевина / 016 оболочка
2. 018 серцевина / 018 оболочка
3. 016 серцевина / 018 оболочка
4. 018 серцевина / 016 оболочка
¦JL.
Фиг. 9
w 05
¦(c)• о c-
B 05 S
и c-
В и s
30-
20-
¦10
1.2
Известный
уровень
техники
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
1,8
Длина волны (микроны)
1. 016 серцевина / 016 оболочка --
2. Ol 8 серцевина /018 оболочка
3. 016 серцевина / 018 оболочка
4. Ol 8 серцевина / 016 оболочка _ _
Известный
уровень
техники
"и В
W S
Э" ю
° 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 Длина волны (микроны)
1. 016 серцевина / 016 оболочка
2. 018 серцевина / 018 оболочка
3. 016 серцевина / 018 оболочка -
4. 018 серцевина / 016 оболочка * ~
1,8
WO 2013/101261 PCT/US2012/023551
6/6
уровень техники
Известный
Фиг. 10
0,01 1 1 1 1 Г
0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2 Длина волны (мкм)
общее
модифицированное общее
поглощение в ИК области спектра
модифицированное поглощение в ИК области спектра
рэлеевское рассеяние ----
WO 2013/101261
PCT/US2012/023551
WO 2013/101261
PCT/US2012/023551
WO 2013/101261
PCT/US2012/023551
WO 2013/101261
PCTAJS2012/023551
WO 2013/101261
PCTAJS2012/023551
WO 2013/101261
PCT/US2012/023551
WO 2013/101261
PCT/US2012/023551
WO 2013/101261
PCTYUS2012/023551
WO 2013/101261
PCT/US2012/023551
WO 2013/101261
PCT/US2012/023551
WO 2013/101261
PCT/US2012/023551
WO 2013/101261
PCT/US2012/023551
WO 2013/101261
PCT/US2012/023551
WO 2013/101261
PCT/US2012/023551
WO 2013/101261
PCT/US2012/023551
WO 2013/101261
PCT/US2012/023551
WO 2013/101261
PCT/US2012/023551
WO 2013/101261
PCT/US2012/023551
WO 2013/101261
PCTYUS2012/023551
WO 2013/101261
PCT/US2012/023551
WO 2013/101261
PCT/US2012/023551
WO 2013/101261
1/6
PCT/US2012/023551
WO 2013/101261
1/6
PCT/US2012/023551
WO 2013/101261
1/6
PCT/US2012/023551
WO 2013/101261
1/6
PCT/US2012/023551
WO 2013/101261
1/6
PCT/US2012/023551
WO 2013/101261
1/6
PCT/US2012/023551
WO 2013/101261
2/6
PCTVTJS2012/023551
WO 2013/101261
2/6
PCTVTJS2012/023551
WO 2013/101261
2/6
PCTVTJS2012/023551
WO 2013/101261
2/6
PCTVTJS2012/023551
WO 2013/101261
2/6
PCTVTJS2012/023551
WO 2013/101261
2/6
PCTVTJS2012/023551
WO 2013/101261
3/6
PCTYUS2012/023551
WO 2013/101261
3/6
PCTYUS2012/023551
WO 2013/101261
3/6
PCTYUS2012/023551
WO 2013/101261
3/6
PCTYUS2012/023551
WO 2013/101261
3/6
PCTYUS2012/023551
WO 2013/101261
3/6
PCTYUS2012/023551
WO 2013/101261
3/6
PCTYUS2012/023551
WO 2013/101261
3/6
PCTYUS2012/023551
WO 2013/101261
4/6
PCT7US2012/023551
WO 2013/101261
4/6
PCT7US2012/023551
WO 2013/101261
4/6
PCT7US2012/023551
WO 2013/101261
4/6
PCT7US2012/023551
WO 2013/101261
4/6
PCT7US2012/023551
WO 2013/101261
4/6
PCT7US2012/023551
WO 2013/101261
4/6
PCT7US2012/023551
WO 2013/101261
4/6
PCT7US2012/023551
WO 2013/101261
4/6
PCT7US2012/023551
WO 2013/101261
4/6
PCT7US2012/023551
WO 2013/101261
5/6
PCT/US2012/023551
WO 2013/101261
5/6
PCT/US2012/023551
WO 2013/101261
5/6
PCT/US2012/023551
WO 2013/101261
5/6
PCT/US2012/023551
WO 2013/101261
5/6
PCT/US2012/023551
WO 2013/101261
5/6
PCT/US2012/023551
WO 2013/101261
5/6
PCT/US2012/023551
WO 2013/101261
5/6
PCT/US2012/023551
WO 2013/101261
5/6
PCT/US2012/023551
WO 2013/101261
5/6
PCT/US2012/023551
|
