同位素改變的光纖的制作方法
【專利摘要】一種光波導(dǎo)，具有一個(gè)高純度玻璃形成的披覆層、或一個(gè)高純度的同位素比例改性的玻璃形成的披覆層，并且具有一個(gè)高純度的同位素比例改性的玻璃的內(nèi)芯，其中該內(nèi)芯玻璃的折射率大于該披覆玻璃的折射率，所述高純度的同位素比例改性的內(nèi)芯材料具有的Si-29同位素比例為所述內(nèi)芯中所有硅原子的至多4.447％的Si-29(原子/原子)、或所述內(nèi)芯中至少4.90％的Si-29(原子/原子)原子，或者具有的Ge-73同位素比例為所述內(nèi)芯中所有鍺原子的至多7.2％的Ge-73(原子/原子)、或所述內(nèi)芯中所有鍺原子的至少8.18％的Ge-73(原子/原子)。
【專利說(shuō)明】同位素改變的光纖

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明總體上涉及一種同位素改變（isotopically altered)的光纖，并且特別涉 及一種貧或富含Si-29同位素原子的石英纖維、或者貧或富含Ge-73同位素原子的石英纖 維。

【背景技術(shù)】
[0002] 光損耗是典型地包括數(shù)百千米的基于石英的光纖的光網(wǎng)絡(luò)和鏈路的設(shè)計(jì)和構(gòu)造 中的一個(gè)限制性因素。石英纖維中的光損耗主要由以下兩個(gè)因素造成：（1)瑞利散射，其 作為l/λ 4(其中λ是波長(zhǎng)）的函數(shù)而降低并且在較短波長(zhǎng)占主導(dǎo)；和（2)石英的紅外吸 收，其在較長(zhǎng)波長(zhǎng)占主導(dǎo)。典型的二氧化鍺（Ge0 2)摻雜的石英內(nèi)芯纖維具有在1510nm與 1610nm 之間的 0. 189db/km 至 0. 200db/km 的損耗。
[0003] 之前曾經(jīng)嘗試通過(guò)同位素上改變這些纖維區(qū)域來(lái)開發(fā)一種具有更低透射率損失 的光纖。參見美國(guó)專利6, 810, 197和6, 870, 999。損耗上的改進(jìn)受限于約0.145db/km至 0. 155db/km，并且主要通過(guò)將最小光損耗的波長(zhǎng)偏移至約1670nm、并部分通過(guò)將該折射率 摻雜劑從鍺改變?yōu)檠?17來(lái)完成，盡管這些發(fā)明人可能還沒(méi)有認(rèn)識(shí)到由于他們使用氧-17 而減少損耗的原因。
[0004] 纖維光學(xué)科學(xué)家和工程師未認(rèn)識(shí)到Si-29同位素是幾乎所有石英折射率從 1.0000偏離的來(lái)源，其中天然同位素比例的氧-17提供正常（天然）水平下的較小增加。 同樣，這些科學(xué)家和工程師未認(rèn)識(shí)到Ge-73同位素（通常使用的摻雜劑）在其天然同位素 比例下（從1. 46至約1. 47)增加熔融石英的折射率。還未認(rèn)識(shí)到的是造成大部分瑞利散 射的Si-29摻雜劑存在于現(xiàn)有技術(shù)光波導(dǎo)中。它們不Si-29作為一種摻雜劑，因?yàn)槠涫且?種硅的天然存在的穩(wěn)定同位素。
[0005] 因此，石英中Si-29同位素比例的減少，比如，為1/100(從自然界的4. 67%原子/ 原子至0. 0467 %原子/原子）將導(dǎo)致一種具有1. 005的折射率的材料，并且減少為1/33將 導(dǎo)致一種具有1. 015的折射率的材料。這兩種材料，具有1. 015-1. 005 = 0. 010的折射率 差，正好在分別變?yōu)橐环N新纖維的披覆物和內(nèi)芯的合適范圍內(nèi)。
[0006] 類似地，美國(guó)專利6, 490, 399描述了用硅-30代替硅-28同位素，其具有移動(dòng)至本 征IR吸收線圖的右側(cè)的類似效果。這導(dǎo)致開發(fā)了一個(gè)新的可用傳輸區(qū)域。參見圖2,示出 了一個(gè)從約1610納米直到約1710納米波長(zhǎng)的標(biāo)記為，"B"的區(qū)域，其中同時(shí)用Si-30代替 Si-28,并且用0-18代替0-16。
[0007] 美國(guó)專利6, 810, 197在其"發(fā)明概述"（第1欄，第58行至第3欄，第14行）中描 述了由于可能的放大器間間距從125千米增加至156千米，對(duì)于一個(gè)跨大西洋（Atlantic) 鏈路所需要的放大站數(shù)量減少了 11個(gè)單元。然而，該益處實(shí)際上幾乎肯定是錯(cuò)覺。從1610 直到1710傳輸?shù)娜魏螌?shí)際鏈路還將被設(shè)計(jì)為使用1510-1610帶，并且該同位素代替將并不 顯著地輔助大部分1510_1610nm帶中的纖維傳輸。由于放大1610-1710帶的相同放大站 也將是放大1510-1610帶的那個(gè)，后一個(gè)帶上的適當(dāng)操作將要求維持與當(dāng)前所需要的相同 的、125千米的放大器間間距。因此，唯一可用的改進(jìn)將是增寬在其上可以發(fā)送信號(hào)的可用 帶寬。換句話說(shuō)，用Si-30代替Si-28以及用0-18代替0-16實(shí)際上不能由于波導(dǎo)損耗減 少而產(chǎn)生任何節(jié)約，并且甚至該增寬的帶（包括1610-1710區(qū)域）有可能僅在其中波分多 路復(fù)用（WDM)信號(hào)已經(jīng)占據(jù)所有1510-1610帶寬的鏈路中是有益的。
[0008] 類似地，專利6, 490, 399對(duì)日本專利摘要JP-A-60090845的引用描述了一種使用 多孔Si02預(yù)成型物的氘沖洗以用-0D基團(tuán)替換現(xiàn)有的-0H基團(tuán)的方法，因此使它們的吸 收帶（包括1400nm)偏移至長(zhǎng)得多的波長(zhǎng)-長(zhǎng)于1710nm。然而，這種技術(shù)被描述為"昂貴 的"，部分因?yàn)槔w維制造廠商已經(jīng)很好地完成了減少-0H含量的工作，部分由于描述于專利 3, 933, 454,第7欄，第1行至第8行，第68行中的Cl2處理的連續(xù)改進(jìn)。
[0009] 然而，這僅意味著-0H吸收光譜（尤其在1400nm處，參見圖2)與該"瑞利散射"最 低線（參見圖3)相比是足夠低的，從而使得另外的改進(jìn)似乎沒(méi)有益處。本發(fā)明，（部分地） 通過(guò)大量減少Si-29濃度直到1/50-1/100或更小，具有將"瑞利散射"最小值大大減少一 個(gè)大的、相關(guān)的量的作用，這將使得實(shí)現(xiàn)如JP-A-60090845中所描述的氘（D 2)沖洗的額外 效用。
[0010] 因此，本發(fā)明的Si-29減少的一個(gè)實(shí)施例將可能具有來(lái)自氘（D2)沖洗，以及用 Si-30代替Si-28、或用0-18代替0-16、或兩者的另外的意料之外的益處。這些改性的完全 實(shí)施將導(dǎo)致一種具有在約0. 〇ldb/km或更低的損耗下從至少1230nm至約2000nm的傳輸帶 寬的光波導(dǎo)，并且因此可以實(shí)現(xiàn)無(wú)或最多一個(gè)放大站的橫跨大西洋的傳輸。
[0011] 這個(gè)嘗試使表示"IR吸收"的線（參見圖4和圖5)偏移到這些圖的右側(cè)。這具有 減少最小吸收的作用，由"IR吸收"、"瑞利[散射]"、以及"UV"的稍微降低的總和引起，其 中所產(chǎn)生的傳輸帶寬在一定程度上增寬。
[0012] 然而，本發(fā)明不僅攻擊該"IR吸收"線，而且實(shí)際上還有該"瑞利散射"線。參見圖 10,長(zhǎng)的陰影線，標(biāo)記為"瑞利散射"。
[0013] Si-29散射中心的量值減少為" 1/X"將使該"瑞利散射"線的高度減少為" 1/X"和 "1/X"平方根的范圍內(nèi)。這將導(dǎo)致對(duì)于Si-29濃度減少為1/33,由于瑞利散射作用，衰減 減少為1/33與1/33的平方根（約5. 9)之間。這顯著減少了 1310nm帶中、以及最高達(dá)約 1650納米波長(zhǎng)中的所看到的總衰減。
[0014] 當(dāng)然，專利6, 810, 197的特征的一部分的組合，在該內(nèi)芯和靠近該內(nèi)芯的披覆區(qū) 域兩者中用0-18代替0-16,并且Si-29同位素比例顯著減少至并且通過(guò)1/100減少（至 0. 0467%的Si-29原子/原子）組合以導(dǎo)致總衰減的顯著減少，由于信號(hào)穿過(guò)光波導(dǎo)。
[0015] 專利6, 810, 197的作者認(rèn)為至少一些0-17同位素是必須的以提供有用的益處， 用氧-18共同代替將通常存在于非同位素改性的纖維中的大多數(shù)氧-16。參見，例如，專利 6, 810, 197中的權(quán)利要求1、3、4和9。
[0016] 相比之下，本發(fā)明指定了一種0-17同位素的存在或不存在，但處于足夠低的比例 以與專利6, 810, 197的權(quán)利要求或其他專利或申請(qǐng)重疊。
[0017] 熟悉纖維光波導(dǎo)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的人，即纖維光學(xué)科學(xué)家和工程師，將能夠定義，對(duì)于一 個(gè)給定的傳輸波長(zhǎng)和內(nèi)芯直徑，使其起到一種單模傳輸介質(zhì)的作用、或可替代地起到一種 多模傳輸介質(zhì)的作用而必須的折射率差。
[0018] 熔融石英折射率可以從約1. 46的天然同位素分布值調(diào)整至低至1. 0000的幾乎任 何值，取決于所實(shí)現(xiàn)的Si-29同位素比例的減少。因此，折射率為1. 015和1. 005的以上實(shí) 例是示例性的并且無(wú)限制。
[0019] 專利6, 128, 928描述了添加至光纖的披覆或內(nèi)披覆區(qū)域的少量摻雜氧化鍺的抗 游離氧益處。然而，在此背景下，Ge-73同位素的折射率升高作用（專利6, 128, 928的作 者不認(rèn)為Ge-73同位素正是該折射率升高作用的大部分來(lái)源）是一個(gè)缺點(diǎn)。相反，本發(fā)明 的發(fā)明人指定僅僅（或大部分地）添加與Ge-73同位素原子不同的鍺原子，以便獲得專利 6, 128, 928的相同益處而不升高折射率。6, 128, 928專利的作者顯然沒(méi)有預(yù)期以下可能性： 可以使用一個(gè)氧化鍺的同位素改性樣品，而不是一個(gè)天然同位素樣品。
[0020] 本發(fā)明的發(fā)明人熟悉光學(xué)器件和波導(dǎo)的原理，已經(jīng)于1977年秋季在MIT參加了編 號(hào)為"8. 03"的物理課程。
[0021] 在2007年初，本發(fā)明人有機(jī)會(huì)閱讀了一本關(guān)于光纖構(gòu)造和用途的非常高度技術(shù) 性方面的1979年的書。在2008年九月/十月，本發(fā)明人有機(jī)會(huì)閱讀了美國(guó)康寧玻璃廠訴住 友電氣公司案（Corning Glass Works V. Sumitomo Electric U. S. A.)，在 671F. Suppl369 (S. D. N. Y. 1987)的地方法院案件和在868F. 2dl251 (聯(lián)邦巡回法院1989)的聯(lián)邦巡回法院上訴 案件兩者。這提供了光纖研究歷史和關(guān)于其構(gòu)造和設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)的非常廣泛的討論。
[0022] 本發(fā)明人還碰巧獲得了一個(gè)每種元素（總計(jì)約256種）的天然存在的同位素的列 表。硅由約92%的Si-28、4. 67%的Si-29、和3. 1%的Si-30組成。鍺是約7. 8%的Ge-73。 一個(gè)給定的核素（一種同位素的原子核）具有一種被稱為"自旋"（實(shí)際上，"電磁自旋"） 的特性，如果它具有奇數(shù)質(zhì)子或奇數(shù)中子。因此，硅的同位素中僅Si-29 (4. 67%原子/原 子）具有"自旋"，并且僅Ge-73(7.8%原子/原子）具有"自旋"。
[0023] "自旋"可以被認(rèn)為是由以下事實(shí)造成的永久擺動(dòng)：一個(gè)單一的、未配對(duì)的核子保 持存在。它導(dǎo)致（帶正電荷的）原子核的振動(dòng)，使得原子核表現(xiàn)得像一個(gè)微小的條形磁鐵。 這種自旋可以用于核磁共振分析（最常見地用氫-1原子）、以及磁共振成象中。偶爾，同位 素還用作"示蹤物"以跟蹤化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理。
[0024] 通過(guò)閱讀康寧公司案例，本發(fā)明人知道添加約8% (重量/重量）的二氧化鍺 (Ge02)到石英（Si02)中具有升高純石英的折射率（為1. 4584)至約1. 466的作用。但本 發(fā)明人想知道為什么會(huì)這樣？我突然想到由于硅原子是僅4. 67 %含自旋，并且這些替換鍺 原子是7. 8% Ge-73,本發(fā)明人認(rèn)為可能含電磁自旋的原子的存在是材料甚至具有大于空 氣或真空（1.000)的折射率的潛在原因，并且結(jié)果證明本發(fā)明人是正確的。即使那樣，本發(fā) 明人理解本發(fā)明人不知道是否一個(gè)給定的Ge-73原子具有比一個(gè)Si-29原子更大的對(duì)折射 率的影響（總體上），但是這是當(dāng)時(shí)本發(fā)明人不能回答的問(wèn)題。
[0025] 然而，Si-29可能是石英具有超過(guò)1. 000的折射率的潛在原因的認(rèn)識(shí)導(dǎo)致了接二 連三地許多想法：
[0026] 1.可以添加 Si-29到石英中，而不是添加 Ge02到石英中，以增加其折射率超過(guò)該 披覆區(qū)域的折射率。
[0027] 2.可以降低該披覆區(qū)域中Si-29同位素原子的比例，而不是增加該內(nèi)芯中它們的 比例，并且因此產(chǎn)生具有一個(gè)功能性光波導(dǎo)所必須的折射率差。
[0028] 這些想法中的任一者是有趣的，但它們將僅提供光纖制造工業(yè)的益處上的少量增 力口。任一想法將輕微減少二氧化鍺摻雜的光纖上的光損耗，但在這兩種情況下，速度因子將 保持接近現(xiàn)有光纖的C特征的68%。
[0029] 最大問(wèn)題是：能使該內(nèi)芯和披覆物的折射率下降至多低并且該內(nèi)芯和披覆物仍起 到波導(dǎo)的作用？就目前所知，唯一的限制是不可能降低該披覆材料的折射率至1.0000的 值，與真空相同的值。并且，用此類披覆物，該內(nèi)芯將可能必須具有大了約0.008的折射率， 并且因此它將是1. 0080。
[0030] 所產(chǎn)生的纖維將具有一個(gè)1/1. 008的速度因子、或99. 2%的C。本發(fā)明人認(rèn)識(shí)到 光纖的使用者能夠?qū)⑿盘?hào)從〇. 68的現(xiàn)有速度因子加速到接近0. 99將是非常有價(jià)值的。本 發(fā)明人當(dāng)時(shí)沒(méi)有注意到具有98% -99%的c的速率因子的光纖的發(fā)明。
[0031] 但這不是出人意料的，因?yàn)閹缀醪恍枰鞣N元素的同位素并且因此科技和工業(yè)極 少嘗試將相同元素的同位素分離。
[0032] 在化學(xué)領(lǐng)域，示蹤物（穩(wěn)定的）同位素標(biāo)記的化學(xué)制品有時(shí)用于分析化學(xué)反應(yīng)。
[0033] 在2000年初時(shí)間范圍內(nèi)授權(quán)了三個(gè)正是關(guān)于穩(wěn)定同位素提高的主題的專利，一 個(gè)給予德國(guó)電信公司（Deutsche Telekom)以及兩個(gè)給予康寧公司。但它們討論改性的僅有 的同位素比是Si-28對(duì)Si-30、或0-16對(duì)0-18,以及更小程度上0-16對(duì)0-17。簡(jiǎn)單地說(shuō)， Si-29未被考慮。
[0034] 產(chǎn)生必需的同位素改性的前體（SiC14,四氯化硅）的機(jī)理已經(jīng)存在。參見"千克硅 項(xiàng)目（Silicon Kilogram Project)"（谷歌"千克娃球（Silicon Kilogram Sphere)"）。它 們將含硅前體（其可能是硅烷（SiH4)或四氟化硅（SiF4))在俄國(guó)氣體離心機(jī)中分離，并且 稍后將其轉(zhuǎn)換為單晶硅。相反，本發(fā)明要求將硅烷或四氟化硅轉(zhuǎn)換為SiC14, SiC14可以直 接用作至與康寧公司在1976年獲得專利權(quán)的相同類型的光纖制造方法的輸入。
[0035] -種光傳輸材料和一種具有大大減少的折射率的波導(dǎo)的開發(fā)代表光學(xué)領(lǐng)域上的 很大改進(jìn)并且滿足了光學(xué)工程師的長(zhǎng)期感受到的需求。
[0036] 本發(fā)明的披露
[0037] 本發(fā)明是具有低于自然值1. 4584的任何位置的折射率的石英（Si02)的同位素改 性版本。這意味著天然同位素比例石英以1/1. 4584的c的速度傳輸光，其中c被定義為真 空中的光速。（真空具有確切地1. 〇〇〇〇的折射率，按照定義。）真空中的光速是約299, 700 千米/秒。光以約0.999c行進(jìn)通過(guò)空氣。圖1中示出的圖是來(lái)自1989版的大英百科全 書，百科詳編部分（Macropedia)，第23卷，第665-666頁(yè)。所示出的最薄、最暗的區(qū)域代表 在1880年可獲得的光學(xué)玻璃?？梢钥吹皆?880年無(wú)法獲得具有低于約1. 45的折射率的 已知玻璃。到1934年，技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)點(diǎn)，包括具有低至1. 40的折射率的玻璃（參見 標(biāo)記為"普通光學(xué)"的無(wú)陰影區(qū)域）。
[0038] 該圖的剩余部分（染淺色的）示出了"自1934年開發(fā)的"不同種類的玻璃。在這 些中，"氟磷酸鹽"和"氟化物"玻璃包括具有約1. 32的折射率的區(qū)域。當(dāng)前可獲得的玻璃 不具有大大低于1. 4584的折射率的原因是，總的來(lái)說(shuō)，它們是用天然同位素比例石英制成 的。換句話說(shuō)，它們含有的Si-29量是自然的、占所有硅原子的4. 67% (原子/原子）。本 發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)幾乎完全是Si-29(以及，小得多的比例上，0-17)造成石英的折射率大于 1. 0000?？茖W(xué)家和工程師沒(méi)有認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，因?yàn)樗麄儙缀鯊奈匆姷竭^(guò)同位素比例改性的 材料。他們通常見到的石英具有4. 67%的Si-29比例（原子/原子）?？梢灾瞥删哂?. 02 的折射率的石英，如果它具有〇. 20% Si-29的同位素比例（原子/原子）?？梢灾瞥删哂?1. 01的折射率的石英，如果它具有0. 10% Si-29的同位素比例（原子/原子），等等。該作 用不是精確線性的：出于說(shuō)明的目的對(duì)這些值進(jìn)行選擇。
[0039] 更具體地，本發(fā)明涉及一種包含石英的光波導(dǎo)，該石英以硅同位素 Si-29變化的 以及通常嚴(yán)重地貧硅同位素 Si-29的同位素比例存在。Si-29的同位素比例從通常在自然 界發(fā)現(xiàn)的4. 67% (原子/原子）顯著減少為約1/50(為約0.093% Si-29的同位素比例） 將產(chǎn)生具有約1. 010的折射率的熔融石英。這與天然同位素比例的熔融石英中存在的1. 46 的折射率形成對(duì)比。本發(fā)明的目的是提供一種具有波導(dǎo)性能上特定改進(jìn)的光波導(dǎo)，該光波 導(dǎo)包括：
[0040] 1.可設(shè)定為一個(gè)遠(yuǎn)大于通常與具有1. 46折射率的石英相關(guān)的0. 67值（1/1. 46 = 0. 67)的值的信號(hào)速度因子。這個(gè)速度因子應(yīng)該是可調(diào)整高達(dá)至少0.995,意味著這些光學(xué) 信號(hào)將以99. 5% c的速度橫穿該內(nèi)芯區(qū)域。光以約0. 750c行進(jìn)穿過(guò)純水。光以約66% c 行進(jìn)穿過(guò)普通類型的玻璃。因此，數(shù)據(jù)信號(hào)將能夠比普通的常規(guī)技術(shù)光纖行進(jìn)快約1. 5倍。
[0041] 2.從在二氧化鍺摻雜的石英纖維中常見的0. 191-0. 200db/km、以及從在非摻雜 內(nèi)芯石英纖維中典型地見到的0. 160db/km的光損耗上的非常大的減少。這個(gè)減少將為至 少1/5、并且在已經(jīng)添加全部同位素改性的情況下可能大大小于1/50。如果實(shí)現(xiàn)后者的值， 并且因此實(shí)現(xiàn)〇.〇〇32db/km的損耗值，那么纖維信號(hào)可以用兩次、一次、或甚至無(wú)中間再放 大而被傳輸通過(guò)大西洋。這種瑞利散射的減少將覆蓋500nm-1650nm帶的大部分。
[0042] 3.色散和脈沖展寬上的較大減少，與光損耗的減少相當(dāng)，以包括400-700nm的可 見波長(zhǎng)的大部分、以及700-1650nm的紅外波長(zhǎng)的大部分。
[0043] 在一個(gè)實(shí)施例中，該披覆物的折射率減少至約1. 005將與該內(nèi)芯的1. 015的折 射率組合，導(dǎo)致一個(gè)約0. 985的速度因子，意味著這些數(shù)據(jù)信號(hào)將以光在真空中行進(jìn)的約 98. 5%的速度行進(jìn)。在這個(gè)具體實(shí)施例中該內(nèi)芯與披覆物之間的折射率差是通過(guò)至少四種 機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)的：
[0044] 1.將該內(nèi)芯區(qū)域石英中Si-29的同位素比例減少至約4. 67% /30,同時(shí)改變?cè)撆?覆區(qū)域中Si-29的同位素比例至約4. 67% /100。
[0045] 2.將該內(nèi)芯和披覆區(qū)域兩者中Si-29的同位素比例減少至約4. 67%/100,同時(shí)添 加一些Ge-73同位素（或更大比例的天然同位素二氧化鍺）以增加折射率至1.015。
[0046] 3.將該內(nèi)芯和披覆區(qū)域兩者中Si-29的同位素比例減少至約4. 67%/100,同時(shí)添 加足以將該內(nèi)芯的折射率升高至足以維持適當(dāng)波導(dǎo)作用的水平的一定比例的氧-17同位 素原子（大于在自然界發(fā)現(xiàn)的0. 038%比例）。
[0047] 4.將該內(nèi)芯和披覆區(qū)域兩者中Si-29的同位素比例減少至約4. 67%，同時(shí)添加 到該內(nèi)芯區(qū)域中足以將該內(nèi)芯的折射率升高至足以維持適當(dāng)波導(dǎo)作用的水平的量的氧-17 同位素和鍺-73同位素兩者（或氧-17同位素原子和含顯著的鍺-73同位素比例的一些二 氧化鍺兩者）。
[0048] 在另一個(gè)實(shí)施例中，該內(nèi)芯和披覆區(qū)域的折射率設(shè)定點(diǎn)被設(shè)定為不同值，但維持 該關(guān)系以便該差起到進(jìn)行波導(dǎo)作用的功能。它們可以被設(shè)定為，例如，1. 04的內(nèi)芯折射率和 1. 03的披覆物折射率。
[0049] 這個(gè)選擇減少了純化一個(gè)前體材料的同位素樣品的要求。該內(nèi)芯區(qū)域僅需要由 Si-29含量減少至比天然樣品中發(fā)現(xiàn)的4. 67%原子/原子低12倍的硅原子制成，然而該披 覆區(qū)域僅需要由Si-29含量減少至比Si-29同位素原子的4. 67%原子/原子低17倍的硅 原子制成。
[0050] 在又另一個(gè)實(shí)施例中，該內(nèi)芯和披覆區(qū)域兩者幾乎完全由二氧化鍺（Ge02)構(gòu)成， 該二氧化鍺已經(jīng)被同位素改性為將Ge-73同位素原子的正常比例分別減少為1/100和 1/300(分別地7. 8% /100和7. 8%/300原子/原子，類似于以上項(xiàng)1)。類似地，在另一個(gè) 實(shí)施例中，該內(nèi)芯和披覆區(qū)域兩者幾乎完全由二氧化鍺構(gòu)成，該二氧化鍺已經(jīng)被同位素改 性為將Ge-73的正常比例減少為小300倍（7. 8% /300)，但其中該內(nèi)芯的折射率通過(guò)添加 少量摻雜Si-29原子或0-17同位素原子、或兩者而被升
[0051] 在另一個(gè)實(shí)施例中，并且為了減少必須使用的同位素改性的材料的量，該內(nèi)芯區(qū) 域被構(gòu)造以便直接被一個(gè)內(nèi)披覆區(qū)域、以及然后一個(gè)外披覆區(qū)域圍繞，有可能的是，用于該 外披覆區(qū)域中的材料在Si-29同位素上將被減少至更少程度。例如，該內(nèi)芯可以被設(shè)定為 一個(gè)1. 015的折射率，該內(nèi)披覆物可以被設(shè)定為一個(gè)1. 005的折射率，并且該外披覆物可以 用與在地球樣品中發(fā)現(xiàn)的以天然同位素比例中發(fā)現(xiàn)的這些種類的4. 67%原子/原子（對(duì)于 Si-29)或7. 8 %原子/原子（對(duì)于Ge-73)比例相同或接近的Si-29 (或，可替代地，Ge-73) 的同位素比例來(lái)制成。這種構(gòu)造方法將傾向于將所用的材料的成本最小化。然而，應(yīng)注意 在這種技術(shù)中，該內(nèi)披覆物/外披覆物界面的直徑必須足夠大于該內(nèi)芯/內(nèi)披覆物界面的 直徑，以確保不大于一個(gè)可接受比例的光可能"泄漏"到該外披覆區(qū)域內(nèi)并且損耗，由此增 加該纖維的總衰減。纖維光學(xué)工程和科技領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將能夠在數(shù)學(xué)上預(yù)測(cè)、并且 由實(shí)驗(yàn)分開地證實(shí)：該內(nèi)披覆區(qū)域的外直徑是足夠大于該內(nèi)芯區(qū)域的直徑以降低損耗至可 接受水平。
[0052] 同位素改性的材料的來(lái)源
[0053] 石英衍生自貧Si-29同位素原子的含硅前體。這些含硅前體可以具有至少三種類 型：
[0054] l)Si_28同位素原子的同位素比例提高至約99.5%原子/原子，并且Si-30同位 素原子減少至非常小或可忽略的量：此類同位素分布可以從一個(gè)氣體離心機(jī)的輸出來(lái)預(yù) 期，選擇輕分子SiF 4或SiH4。
[0055] 2) Si-30同位素原子的同位素比例提高至約90%原子/原子或更多，并且Si-28 同位素原子減少至10%或更少。這也將是一個(gè)氣體離心機(jī)輸出產(chǎn)品，選擇重分子……
[0056] 3)從4. 67%原子/原子的天然比例減少Si-29同位素原子的同位素比例，但另外 不使Si-28和Si-30同位素原子的相對(duì)比例變化很大。
[0057] 在這些實(shí)例的每一個(gè)，Si-29比例被設(shè)定為一個(gè)值，該值被計(jì)算為實(shí)現(xiàn)對(duì)于如沉積 原樣的石英材料的具體折射率。
[0058] 對(duì)于一個(gè)典型的優(yōu)選實(shí)施例，使用具有約0. 1% Si-29同位素原子的硅原子的同 位素分布的石英，在90% +Si-30同位素組別（以上項(xiàng)2)與99. 5% Si-28同位素組別之間 的主要差將導(dǎo)致對(duì)于在超過(guò)1600nm的波長(zhǎng)處的IR信號(hào)傳輸?shù)膶捦l帶。該增寬的傳輸譜 的具體范圍和這些損耗數(shù)字不能在構(gòu)造這些纖維之前容易地進(jìn)行預(yù)測(cè)，但將理解的是這些 額外的可用的頻率（特別在遠(yuǎn)低于〇. ldb/km的損耗下）未被現(xiàn)有技術(shù)光波導(dǎo)預(yù)期。還將 理解的是這些額外的可用的頻率未被提供、或預(yù)見，連同由于超低損耗傳輸而同樣可用的 從約1400nm的傳輸帶。
[0059] 本發(fā)明的其他目的和目標(biāo)的認(rèn)識(shí)和其更完整和綜合的理解可以通過(guò)參考附圖并 且研究以下進(jìn)行本發(fā)明的最佳方式的描述來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0060] 附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明
[0061] 圖1是對(duì)于光學(xué)玻璃范圍的折射率η對(duì)收縮性v的圖。來(lái)自F. J. Terence Maloney， 1968 年，雙日公司（Doubleday&Company, Inc.)的現(xiàn)代世界中的玻璃（Glass in the Modern World)。
[0062] 圖2是公開2003/0002834的圖1的復(fù)制。
[0063] 圖3是專利6, 490, 399的圖1的復(fù)制。
[0064] 圖4是專利6, 810, 197的圖4的復(fù)制。
[0065] 圖5是專利6, 810, 197的圖5的復(fù)制。
[0066] 圖6是專利6, 810, 197的圖9的復(fù)制。
[0067] 圖7是專利6, 810, 197的圖12的復(fù)制。
[0068] 圖8是專利6, 810, 197的圖10的復(fù)制。
[0069] 圖9是專利6, 810, 197的圖11的復(fù)制。
[0070] 圖10是專利6, 810, 197的圖2的復(fù)制。
[0071] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最伴方式
[0072] 本發(fā)明的益處
[0073] 由于通過(guò)將Si-29含量從天然的4. 67%原子/原子減少至約0. 01 %、或甚至更 低而具有少至1. 〇〇1的折射率的玻璃材料的可獲得性，一個(gè)波導(dǎo)中內(nèi)芯的折射率可以是約 1. 001-1. 002,并且因此穿過(guò)該纖維傳輸?shù)男盘?hào)的"速度因子"可以是至少高達(dá)（1/1. 001)、 或 99. 9% c。
[0074] 現(xiàn)有的光纖電纜典型地使用以約（1/1. 47)、或68%的"c"進(jìn)行工作的波導(dǎo)。信號(hào) 在約36毫秒的單向延遲內(nèi)可以被傳輸約6, 000千米的距離，大致紐約與倫敦之間的光纜長(zhǎng) 度。即便使用被設(shè)計(jì)為更直并且更直接的一個(gè)當(dāng)前提出的路線，5000的光纜距離和30毫秒 的單向延遲是當(dāng)前技術(shù)可以提供的最小值。
[0075] 然而，將該纖維轉(zhuǎn)化為具有速度因子99. 5%、而不是迄今為止典型值68%的纖維 導(dǎo)致約36毫秒的2/3或24毫秒的在更長(zhǎng)路線上的單向延遲。在被預(yù)測(cè)為具有用普通光纜 的30毫秒的單向延遲的較短路線上使用較快的纖維將產(chǎn)生2/3乘以30毫秒、或20毫秒的 單向延遲。
[0076] 信號(hào)延遲上的這種差異通常地對(duì)于實(shí)時(shí)交互式視頻、服務(wù)器響應(yīng)、數(shù)據(jù)庫(kù)查找、互 聯(lián)網(wǎng)游戲、以及低延遲電話通信是極其重要的。它還允許對(duì)于相同的延遲，數(shù)據(jù)庫(kù)和其他服 務(wù)器位于進(jìn)一步遠(yuǎn)離用戶。
[0077] 金融市場(chǎng)，如證券交易所，將特別受影響。幾毫秒的額外延遲（每個(gè)方向）可能花 費(fèi)大容量股票交易公司數(shù)千萬(wàn)美元/月。在紐約與倫敦之間、或在紐約與洛杉磯之間的延 遲減少為2/3,從36毫秒至24毫秒或甚至20毫秒，將不只是將一個(gè)單一國(guó)家而最終是將整 個(gè)世界更緊密地連接。
[0078] 互聯(lián)網(wǎng)游戲是另一種用途?，F(xiàn)今，位于比如紐約和澳大利亞悉尼的兩個(gè)用戶可以 被鎖定在（無(wú)血的）數(shù)字戰(zhàn)斗中，其中他們的計(jì)算機(jī)僅在100毫秒后得知對(duì)手在做什么。這 些延遲，雖然看起來(lái)小，是相當(dāng)可察覺的并且實(shí)質(zhì)上影響游戲的流暢。在單向鏈路延遲中減 少為2/3,從100毫秒至67毫秒，將提供最小的理論上可能的延遲。
[0079] 光損耗益處
[0080] 長(zhǎng)期以來(lái)被接受的是一個(gè)純石英內(nèi)芯波導(dǎo)在約1560nm的損耗最小值處的最小光 損耗是0. 151db/km。這在用Si-30代替Si-28、以及用0-18代替0-16的可能性下在一定 程度上被改變。但是，改進(jìn)至低于0. l〇db/km仍看起來(lái)難以實(shí)現(xiàn)，并且被認(rèn)為是昂貴的。
[0081] 本發(fā)明通過(guò)將Si-29減少為1/50、1/100、或更小，使光損耗減少為1/10、并且很有 可能1/100或更小。這允許中繼器實(shí)現(xiàn)較少的5000千米或更大的跨度。
[0082] 光頻帶寬增加益處
[0083] 在1510納米與1610納米之間的當(dāng)前光學(xué)帶寬隨著本發(fā)明增加至至少1450nm直 至1800nm，并且很有可能1230nm至2000nm。雖然完全利用這些波長(zhǎng)中的一些將等待合適的 激光發(fā)射器和檢測(cè)器的產(chǎn)生，這個(gè)新的傳輸區(qū)域的一大部分應(yīng)該是幾乎立即可獲得的。在 任何情況下，這種新容量纖維可以被立即安裝，在傳統(tǒng)的1510-1610帶下進(jìn)行操作，并且作 為接收器和發(fā)射器擴(kuò)展的波帶變得可獲得的。
[0084] 然而，在沒(méi)有將（如果它們存在的話）額外的帶寬放大的匹配的纖維放大器的情 況下，僅能夠?qū)⒐饫w的傳輸帶寬從1510_1610nm增加至包括比如1610-1710nm帶（如專利 6, 810, 197所做的）是幾乎沒(méi)有價(jià)值的。基于鉺的纖維放大器大致在1520-1565nm帶寬的 區(qū)域中進(jìn)行放大，使其成為主要的傳輸區(qū)域。雖然將可能在每個(gè)放大器處檢測(cè)并且重新傳 輸此類信號(hào)，但這將是昂貴的并且將使得該額外的帶寬無(wú)效。僅安裝額外纖維以實(shí)現(xiàn)更大 的容量將是更便宜的。
[0085] 如果，相反，這個(gè)帶寬可以不僅是可獲得的，而且以約0. 01-0. 02db/km的損耗是 可獲得的，可以使用一個(gè)寬得多的帶，并且甚至根本無(wú)需使用任何纖維放大器（或，最多， 在約大西洋的中點(diǎn)處一個(gè)檢測(cè)和重新傳輸放大器）。
[0086] 通過(guò)使用本發(fā)明而可以使用的帶寬從約1430nm進(jìn)行至1750nm，約320nm(比 1520-1565nm帶的45nm寬了七倍），并且將用于使用Si-28對(duì)Si-30、和0-16對(duì)0-18的 普通同位素分布。通過(guò)使用幾乎所有Si-30,以及幾乎所有0-18,可獲得的帶寬增加至 1430-2000nm、或 570nm (比 1520-1565nm 帶寬了約 13 倍）。
[0087] 顯著減少的材料來(lái)源的色散因子
[0088] 該波導(dǎo)材料中Si-29同位素原子比例上的較大減少將導(dǎo)致該如制造原樣的光波 導(dǎo)的總體色散的同量的較大減少。參見圖6和7?？蓺w因于該波導(dǎo)本身的色散部分（參見 圖8)將可能保持相同，并且該折射率分布色散可以進(jìn)行選擇以中和在其他同位素改性過(guò) 程完成之后可能保留的任何殘余總色散。熟悉光纖波導(dǎo)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將能夠定 義將完成所希望的色散水平的內(nèi)芯對(duì)比披覆物的各種代替。
[0089] 本發(fā)明考慮一種重新設(shè)計(jì)的光波導(dǎo)，具有該內(nèi)芯和披覆區(qū)域中Si-29的同位素比 例上的較大減少（大約在來(lái)自存在的所有硅原子的天然4. 67%原子/原子的Si-29比例 的3倍與100倍減少之間），這將導(dǎo)致從圖6類推的"材料D [色散](內(nèi)芯）"的值中曲線 的較大改變、以及從圖8類推的"波導(dǎo)D[色散]"中曲線中小得多的改變（若有的話），與 從圖9類推的"0-8內(nèi)芯/0-16披覆物"組合，分布D。
[0090] 換句話說(shuō)，圖9上線4的單調(diào)升高和直的線將部分補(bǔ)償圖8中的線1-4的一條或 多條單調(diào)下降和直的線。這些值的加和的殘差（residual)可以與的Si-29減少曲線組合， 類似于圖6,線4,可以預(yù)期其具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于專利6, 810, 197中的斜率。
[0091] 明斷選擇的，類似于圖7的"總D[色散]"的總色散將是"材料D[色散]"、"波導(dǎo) D [色散]"、和"折射率分布D [色散]"的線性總和，并且可以低于一個(gè)1. Ops/nm/km的值，該 值是從圖7上示出的普通同位素"0-16內(nèi)芯/0-16披覆物"上在1. 6微米波長(zhǎng)處的約20ps/ nm/km的值的非常大的減少。
[0092] 纖維光波導(dǎo)科學(xué)家和工程師早已熟悉色散補(bǔ)償纖維（DCF)的需要和使用。用于相 對(duì)短的長(zhǎng)度（如與存在于典型的光波導(dǎo)鏈路中的數(shù)百或數(shù)千千米相比）中的這些纖維的目 的是對(duì)抗、并且因此抵消并完全或部分地中和一個(gè)給定光學(xué)信號(hào)的不同波長(zhǎng)部分的到達(dá)時(shí) 間上的改變。它們的使用可能是關(guān)鍵的，以便能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)給定的實(shí)際數(shù)據(jù)鏈路可以攜帶 的最大比特率（技術(shù)上，符號(hào)率）。原因是色散傾向于在時(shí)間上使組成一個(gè)給定比特的光學(xué) 信號(hào)的轉(zhuǎn)換的到達(dá)時(shí)間模糊。
[0093] 例如，一個(gè)40G比特/秒（40十億比特/秒）的符號(hào)率意味著一個(gè) (1/40, 000, 000, 000) = 25皮秒的比特時(shí)間，如果一個(gè)比特存在于每個(gè)光學(xué)信號(hào)符號(hào)中。這 個(gè)速率，40G比特/秒，是用于最近安裝（或升級(jí)的）數(shù)據(jù)鏈路中的最快的商業(yè)上可獲得的 數(shù)據(jù)速率。然而，具有一個(gè)能夠檢測(cè)25皮秒最小信號(hào)時(shí)間的光學(xué)檢測(cè)器幾乎沒(méi)有好處，如 果那個(gè)比特（符號(hào)）已經(jīng)在時(shí)間上擴(kuò)展為比如50皮秒或更多。由于根據(jù)傅里葉定律，一個(gè) 40G比特/秒信號(hào)的光學(xué)波長(zhǎng)帶寬將是約最小0. 3納米，一種具有20ps/nm/km的色散的未 補(bǔ)償?shù)某Ｒ?guī)纖維將在約四千米的纖維長(zhǎng)度之后在25皮秒的時(shí)間中添加色散導(dǎo)致的模糊。 因此可以看出，對(duì)該色散的補(bǔ)償對(duì)于允許甚至對(duì)短距離纖維的40G比特/秒的維持是必不 可少的。
[0094] 雖然大部分的光纖色散當(dāng)前是用色散補(bǔ)償產(chǎn)品進(jìn)行補(bǔ)償?shù)模魏未祟愌a(bǔ)償?shù)耐?整性傾向于受限為小于100%。因此，該主要纖維越好（其基線色散越低），可以預(yù)期最終 的如補(bǔ)償原樣的光學(xué)鏈路的色散越好。本發(fā)明的將原始的、未補(bǔ)償?shù)睦w維色散減少為1/10 或更小的前景提供了信號(hào)色散中類似的如補(bǔ)償原樣的改進(jìn)的前景。
[0095] 本發(fā)明可以使用來(lái)自美國(guó)專利#4, 435, 040的技術(shù)
[0096] 預(yù)期用本發(fā)明構(gòu)造的光波導(dǎo)也將能夠使用美國(guó)專利#4, 435, 040中所描述的雙披 覆工藝，具有某些注意事項(xiàng)和改變。首先，應(yīng)該記住在現(xiàn)有技術(shù)波導(dǎo)中，該內(nèi)芯和披覆物具 有非常接近天然同位素分布石英的折射率（1.46)的折射率。此類波導(dǎo)中的光學(xué)信號(hào)的物 理波長(zhǎng)是例如1510納米除以1. 46、或約1050納米。相比之下，在一個(gè)其折射率為約1. 01 的波導(dǎo)中，該波導(dǎo)中的物理波長(zhǎng)是1510納米/1. 01、或約1495納米。由于在該波導(dǎo)內(nèi)波的 行為是基于該引導(dǎo)件的尺寸（與該光波的尺寸相比），預(yù)期波導(dǎo)部件的尺寸如該內(nèi)芯和披 覆物的大小將被確定為大于現(xiàn)有技術(shù)纖維，約1. 46/1. 01、或1. 45倍，所有其他是相等的。
[0097] 其中，例如，專利4, 435, 040指定大于2X4微米、或8微米的有效內(nèi)芯直徑，這將 轉(zhuǎn)化為8微米X 1. 45、或11. 6微米的內(nèi)芯直徑。類似地，其中專利4, 435, 040指定在該內(nèi) 芯半徑與該內(nèi)部披覆物半徑之間約〇. 5倍與0. 8倍之間的差異，此類因子將在11. 6微米上 運(yùn)算，導(dǎo)致一個(gè)約23. 2微米和14. 5微米的內(nèi)披覆物的外徑。
[0098] 專利4, 435, 040還預(yù)測(cè)該外披覆區(qū)域的厚度應(yīng)該比該內(nèi)芯半徑大約6倍與8倍之 間、或￠-8) X (5. 8微米）、或在34. 8微米與46. 4微米之間，這將使得該外披覆區(qū)域的0D 為11. 6+2(34. 8至46. 6)或在81. 2微米與104. 8微米之間。該外披覆區(qū)域的外部被允許 是可能具有與普通石英的折射率、或1. 46相等的折射率的又另一個(gè)披覆區(qū)域。
[0099] 另一個(gè)注意事項(xiàng)是許多專利像4, 435, 040涉及一種材料的折射率的百分比上的 改變，例如可以預(yù)期接近天然同位素石英的折射率、或1.46的一個(gè)值的"0. 1%至0.6%"。 這轉(zhuǎn)化為〇. 1 %乘以1. 46的改變、或0. 00146的差異至1. 46的0. 6%、或約0. 00876的改 變。
[0100] 但當(dāng)一種石英材料被同位素改性以大大減少Si-29含量，例如至Si-29的自然界 的4. 67%原子/原子的約1/100,并且因此為一個(gè)大致1. 005的折射率時(shí)，不可能將那個(gè)值 (1. 005)減少0. 00876。真實(shí)的、均質(zhì)材料的折射率不能低于真空的折射率、或1. 0000。因 此，關(guān)于折射率上的百分比變化（如"0. 1 %至0. 6% "）不能照字面上使用，它們必須被轉(zhuǎn) 化以反映什么是預(yù)期達(dá)到的，即大于1. 〇〇〇的折射率的數(shù)值上的差異?？梢灶A(yù)期光波導(dǎo)設(shè) 計(jì)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以成功地將最初旨在用于接近1. 46折射率材料的原理轉(zhuǎn)化以適 用于具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)更接近1. 〇〇的折射率的新材料上。
[0101] 作為Si-29同位素原子的同位素比例的函數(shù)的熔融石英折射率
[0102] 如以上所述，當(dāng)硅-29的同位素百分比從其4. 67%原子/原子的正常（如自然界 中發(fā)現(xiàn)的）值變化時(shí)，石英的折射率將變化。為了計(jì)算對(duì)于一個(gè)給定的Si-29比例的石英 的折射率，使用以下公式：
[0103] 折射率（石英）=SQRT(1+(1. 131((百分比Si-29原子/原子）/4.67% )))熔融 石英玻璃的折射率的實(shí)例表：
[0104] Si-29同位素的同位素比例（原子/原子） 熔融石英玻璃的折射率 (自然界 °-467% 的_) 丨·()56 0.0467% )自1.0056 的 1/ΚΧ)) (自然 0.117% 界 的 1.0140 1/40)
[0105](這些數(shù)字忽略了氧-17含量對(duì)熔融石英玻璃的總折射率的少量貢獻(xiàn)）。
[0106] 具有自然界值的1/40的Si-29含量的熔融石英與具有自然界值的1/100的Si-29 含量的熔融石英的折射率差是：1. 0140-1. 0056 = 0. 0084
[0107] 這個(gè)差約等于典型的單模光波導(dǎo)使用的折射率差。由此得出結(jié)論一個(gè)光波導(dǎo)可以 用一個(gè)含具有〇. 117% (原子/原子）的硅同位素比例的純?nèi)廴谑⒌膬?nèi)芯區(qū)域、和一個(gè)含 具有0.0467% (原子/原子）的硅同位素比例的純?nèi)廴谑⒌呐矃^(qū)域構(gòu)成。對(duì)于光波導(dǎo) 設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將明顯的是，由于可以維持對(duì)純?nèi)廴谑⒌恼凵渎实?獨(dú)立和精確的控制，而無(wú)需添加任何外來(lái)?yè)诫s劑，一個(gè)光波導(dǎo)設(shè)計(jì)者將具有對(duì)這些光學(xué)特 征比之前存在的遠(yuǎn)遠(yuǎn)更大的控制。
[0108] 可以實(shí)現(xiàn)的最明顯的改進(jìn)是使用具有1.02的內(nèi)芯折射率的材料來(lái)構(gòu)造光波導(dǎo)。 所產(chǎn)生的速度因子將是約（1/1. 02)、或98%的c。具有這種特征的纖維，當(dāng)被部署時(shí)，將顯 著減少所涉及的數(shù)據(jù)延遲。
[0109] 在某種程度上較不明顯的第二改進(jìn)是由于Si-29同位素原子本身代表一種摻雜 齊U，并且因?yàn)楣鈸p耗是由摻雜劑原子造成的瑞利散射的函數(shù)，所以Si-29原子的濃度減少 為1/40(來(lái)自以上實(shí)例）可能導(dǎo)致從在二氧化鍺摻雜的內(nèi)芯、石英披覆的光學(xué)纖維中典 型地發(fā)現(xiàn)的〇. 19分貝/千米的值的光損耗上的40倍減少。這個(gè)大小的光損耗，可能至 0. 005db/km，可以幾乎消除光放大器的需要，除了在最長(zhǎng)的纖維鏈路上。
[0110] 石英的固有損耗的如此大的減少可能揭露了將必須修正的制造缺陷和限制，并且 拼接損耗減少的研究將具有新的、更大的緊迫性：當(dāng)?shù)扔?. 〇千米的纖維損耗（〇. 19db/km) 時(shí)，一個(gè)損耗〇. 2分貝的拼接可能已經(jīng)看起來(lái)是合理的，但當(dāng)它被看作40千米的纖維損耗 (40X0. 005db/km)時(shí)，那將變得完全不可接受。
[0111] 一個(gè)第三改進(jìn)將非常可能是石英本身的色散上的顯著減少，可能減少為多達(dá) 1/40,具有以上實(shí)例中所描述的Si-29同位素含量的40倍減少。由于總波導(dǎo)色散是不僅僅 由該材料、而且由該波導(dǎo)本身的幾何結(jié)構(gòu)造成的色散的總和的函數(shù)，所以更難預(yù)測(cè)可以實(shí) 現(xiàn)的總體改進(jìn)，但10倍大小的總色散減少是看似合理的。此類改進(jìn)將允許更高的符號(hào)率 (經(jīng)常等于比特率），并且可以顯著減少當(dāng)前使用的復(fù)雜色散補(bǔ)償?shù)男枰?br> [0112] 一個(gè)第四改進(jìn)將是可用光頻的寬度上的較大增寬，特別地如果所有光損耗經(jīng)受相 同的40倍減少，與以上所描述的實(shí)例中的Si-29比例上的40倍減少相當(dāng)。當(dāng)前最長(zhǎng)距離 數(shù)據(jù)鏈路受限于接近1540納米的波長(zhǎng)，但可用的區(qū)域可以延長(zhǎng)至可能500納米至2000納 米，具有在950nm和1.400nm周圍的限制。支持此類更寬帶寬必需的輔助光學(xué)器件和電子 器件必須變得可獲得的，但一個(gè)給定的安裝的纖維可能后來(lái)用于使用這些新波長(zhǎng)區(qū)域。
[0113] 實(shí)例
[0114] 1. 一種光波導(dǎo)可以包括一個(gè)高純度光學(xué)玻璃（主要為石英或二氧化鍺或兩者）形 成的披覆層、和一個(gè)高純度光學(xué)玻璃（主要為石英或二氧化鍺或兩者）形成的內(nèi)芯區(qū)域，其 中所述玻璃中的任一者或兩者含有其中小于4. 44%原子/原子是硅-29同位素原子的硅原 子、或者含有其中小于7. 41 %原子/原子是鍺-73同位素原子的鍺原子、或兩者。
[0115] 每個(gè)百分比可以是通常在每種元素的地球樣品中發(fā)現(xiàn)的Si-29和Ge-73同位素原 子的同位素比例的0. 95的因子。
[0116] 如果這個(gè)波導(dǎo)是石英構(gòu)成的，那么分別地該內(nèi)芯或披覆物中所述氧原子的至少 10%可以是氧-18。
[0117] 2. -種光波導(dǎo)可以包括一個(gè)高純度光學(xué)玻璃（主要為石英或二氧化鍺或兩者）形 成的披覆層、和一個(gè)高純度光學(xué)玻璃（主要為石英或二氧化鍺或兩者）形成的內(nèi)芯區(qū)域，其 中該內(nèi)芯中至少50摩爾百分比的氧、和/或該披覆物中至少50百分比的氧是氧-18。此 夕卜，然而，該內(nèi)芯區(qū)域和/或該披覆區(qū)域可以含有小于氧-18同位素量的5原子％的比例的 氧-17同位素。
[0118] 3. -種光波導(dǎo)可以包括一個(gè)高純度光學(xué)玻璃（主要為石英或二氧化鍺或兩者）形 成的披覆層、和一個(gè)高純度光學(xué)玻璃（主要為石英或二氧化鍺或兩者）形成的內(nèi)芯區(qū)域，其 中該內(nèi)芯、或披覆物、或兩者中至少70原子％的氧是氧-18同位素。然而，此外，氧-17原 子的量是小于總氧原子含量的5原子％。
[0119] 4.實(shí)例1、2的光波導(dǎo)中的任一者進(jìn)一步在該內(nèi)芯、或該披覆物、或兩者中包括一 種摻雜劑。然而，不要求該內(nèi)芯中的摻雜劑與該披覆物中的摻雜劑相同、或它們?cè)谠搩?nèi)芯和 該披覆物中以相同的濃度存在。這種或這些摻雜劑可以是天然同位素比例的鍺、任何非天 然同位素分布的鍺、或Si-29同位素、或磷、或其組合。
[0120] 5.在實(shí)例1、2、3的所有光波導(dǎo)中，含有貧Si-29的Si02的區(qū)域的體積百分比或含 有貧Ge-73的Ge0 2的區(qū)域的體積百分比可以是小于50%。
[0121] 6.在實(shí)例1的光波導(dǎo)中，該內(nèi)芯中至少70原子％的氧可以是氧-18,或鄰近該內(nèi) 芯的披覆物的區(qū)域中至少70原子％的氧可以是氧-18,并且氧-17的量可以小于分別地這 些區(qū)域中總氧原子含量的5原子％。
[0122] 7.在本發(fā)明的光波導(dǎo)的任一個(gè)中，該內(nèi)芯可以具有一個(gè)恒定的或梯度的折射率。
[0123] 8.在本發(fā)明的光波導(dǎo)的任一個(gè)中，該纖維可以被一個(gè)由玻璃或塑料制成的外層圍 繞。
[0124] 9.在本發(fā)明的光波導(dǎo)的任一個(gè)中，該玻璃材料可以在這些內(nèi)芯和披覆區(qū)域中的任 一者或兩者中包含純的或摻雜的二氧化鍺玻璃，其中Ge-73同位素的同位素比例減少至最 多7. 2原子。
[0125] 10.在本發(fā)明的光波導(dǎo)的任一個(gè)中，0-18的同位素比例可以在該內(nèi)芯區(qū)域、或該 披覆區(qū)域、或兩者中升高至存在的總氧同位素原子的至少10%且至多100%。
[0126] 11.在本發(fā)明的光波導(dǎo)的任一個(gè)中，Si-29同位素作為一種摻雜劑存在于該內(nèi)芯 中、或該披覆物中、或兩者中。
[0127] 12.在本發(fā)明的光波導(dǎo)的任一個(gè)中，0-17同位素的比例可以大于在地球上發(fā)現(xiàn)的 0. 038原子％的天然00-17同位素比例。
[0128] 13.在本發(fā)明的光波導(dǎo)的任一個(gè)中，0-17可以在該內(nèi)芯或披覆物中與在地球上發(fā) 現(xiàn)的0. 038原子％的天然0-17同位素比例相比是減少的。此外，在該內(nèi)芯或披覆物、或兩 者中可能存在天然或非天然比例的Si-29同位素。
[0129] 14.本發(fā)明的光波導(dǎo)可以被這樣設(shè)計(jì)，使得完全或部分地通過(guò)硅中Si-29的同位 素比例差、或通過(guò)鍺中Ge-73的同位素比例差將在該內(nèi)芯區(qū)域與該披覆區(qū)域之間的折射率 差維持為大于〇. 〇〇1原子％。
[0130] 15.在本發(fā)明的任何光波導(dǎo)中，-0H可以通過(guò)如已在日本專利摘要JP-A-60090845 中所描述的氘沖洗來(lái)減少。
[0131] 16.在本發(fā)明的任何光波導(dǎo)中，該披覆物的折射率可以用一種氟化合物來(lái)減少。此 夕卜，Si-30或0-18、或兩者的同位素比例可以大于該內(nèi)芯或該披覆物或兩者中天然的同位 素比例。
[0132] 17.本發(fā)明還是一種主要由石英或二氧化鍺或兩者制成的光傳輸材料，該材料已 經(jīng)被同位素改性為包含小于4. 44原子％的Si-29原子、或小于7. 41原子％的Ge-73原子、 或大于4. 90原子％的Si-29原子、或大于8. 18原子％的Ge-73原子。
[0133] 18.在本發(fā)明的光波導(dǎo)的任一個(gè)中，該披覆物或披覆層可以摻雜有一個(gè)鍺原子的 同位素改性樣品，或者該最內(nèi)披覆層可以被如此改性，使得存在的鍺原子的同位素分布已 經(jīng)在Ge-73同位素上減少至最多7. 2原子％。優(yōu)選地，二氧化鍺的量是在按重量計(jì)0. 005 % 至1%、優(yōu)選按重量計(jì)約〇. 1%至約〇. 5%、并且最優(yōu)選按重量計(jì)約0. 1%至約0. 3%的范圍 內(nèi)。
[0134] 已參考具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述。然而，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該 顯而易見的是本發(fā)明涉及在不脫離以下權(quán)利要求的精神和范圍的情況下可以作出其他修 改和增強(qiáng)。
【權(quán)利要求】
1. 一種光波導(dǎo)，包括： a) -個(gè)具有第一高純度光學(xué)玻璃的披覆層；所述第一高純度光學(xué)玻璃包括石英、二氧 化鍺和一種石英與二氧化鍺的混合物之一；所述第一高純度光學(xué)玻璃具有一個(gè)第一折射 率； b) -個(gè)具有第二高純度光學(xué)玻璃的內(nèi)芯區(qū)域；所述第二高純度光學(xué)玻璃包括石英、二 氧化鍺和一種石英與二氧化鍺的混合物之一；所述第二高純度光學(xué)玻璃具有一個(gè)第二折射 率； 所述石英中Si-29與所有其他Si同位素的原子百分比是以下各項(xiàng)之一： 大于〇并且小于4. 44 ;以及 大約4. 90并且小于或等于100 ; 所述二氧化鍺中Ge-73與所有其他Ge同位素的原子百分比是以下各項(xiàng)之一： 大于〇并且小于7. 41 ;以及 大約8. 18并且小于或等于100。
2. 如權(quán)利要求1所述的波導(dǎo)，其中，在石英、氧化鍺和一種石英與二氧化鍺的混合物之 一中0-17與所有其他0同位素的原子百分比是以下各項(xiàng)之一： 大于0并且小于0.038 ;以及 大約0. 038并且小于或等于100。
3. 如權(quán)利要求1所述的波導(dǎo)，其中，所述第一折射率高于所述第二折射率。
4. 如權(quán)利要求1所述的波導(dǎo)，其中，所述石英中至少10%的氧原子是氧-18。
5. 如權(quán)利要求1所述的波導(dǎo)，其中，所述內(nèi)芯區(qū)域中至少50摩爾百分比的氧是氧-18 并且所述內(nèi)芯區(qū)域中小于5原子百分比的氧是氧-17。
6. 如權(quán)利要求1所述的波導(dǎo)，其中，所述披覆區(qū)域中至少50摩爾百分比的氧是氧-18 并且所述披覆區(qū)域中小于5原子百分比的氧是氧-17。
7. 如權(quán)利要求1所述的波導(dǎo)，其中，所述內(nèi)芯區(qū)域中至少70原子百分比的氧是氧-18 并且所述內(nèi)芯區(qū)域中小于5原子百分比的氧是氧-17。
8. 如權(quán)利要求1所述的波導(dǎo)，其中，所述披覆區(qū)域中至少70原子百分比的氧是氧-18 并且所述披覆區(qū)域中小于5原子百分比的氧是氧-17。
9. 如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)，其中，所述披覆區(qū)域進(jìn)一步包括一種摻雜劑。
10. 如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)，其中，所述內(nèi)芯區(qū)域進(jìn)一步包括一種摻雜劑。
11. 如權(quán)利要求8或9所述的光波導(dǎo)，其中，所述摻雜劑選自下組，該組由以下各項(xiàng)組 成：天然同位素分布的鍺、非天然同位素分布的鍺、硅-29、磷、硅-29以及其混合物。
12. 如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)，其中，含有含小于4. 67原子百分比Si-29的石英的區(qū) 域的體積百分比是小于50。
13. 如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)，其中，含有含小于7. 8原子百分比Ge-73的二氧化鍺 的區(qū)域的體積百分比是小于50。
14. 如權(quán)利要求所述的光波導(dǎo)，其中，所述折射率在徑向上改變。
15. 如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)，進(jìn)一步包括一個(gè)圍繞所述披覆層的外層。
16. 如權(quán)利要求14所述的光波導(dǎo)，其中，所述外層是由一種選自由玻璃和塑料組成的 組的物質(zhì)組成。
17. 如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)，其中，所述第一和第二高純度光學(xué)玻璃中羥基濃度是 減少的。
18. 如權(quán)利要求16所述的光波導(dǎo)，其中，羥基的減少已經(jīng)通過(guò)氘沖洗來(lái)完成。
19. 如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)，其中，所述第一高純度玻璃進(jìn)一步包括一種含氟化合 物，由此所述第一折射率被進(jìn)一步減少。
20. 如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)，其中，所述披覆區(qū)域進(jìn)一步包括按重量計(jì)0.005%至 1 %的二氧化鍺。
21. 如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)，其中，所述披覆區(qū)域進(jìn)一步包括按重量計(jì)0. 1 %至 0. 5%的二氧化鍺。
22. 如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)，其中，所述披覆區(qū)域進(jìn)一步包括按重量計(jì)0. 1 %至 0. 3%的二氧化鍺。
23. -種光傳輸材料，包含： 石英、二氧化鍺和一種石英與氧化鍺的混合物之一； 所述石英中Si-29與所有其他Si同位素的原子百分比是以下各項(xiàng)之一： 大于〇并且小于4. 44 ;以及 大約4. 90并且小于或等于100 ; 所述二氧化鍺中Ge-73與所有其他Ge同位素的原子百分比是以下各項(xiàng)之一： 大于〇并且小于7. 41 ;以及 大約8. 18并且小于或等于100。
24. -種如權(quán)利要求23所述的光傳輸材料，其中，石英、二氧化鍺和一種石英與二氧化 鍺的混合物之一中0-17與所有其他0同位素的原子百分比是以下各項(xiàng)之一： 大于0并且小于0.038 ;以及 大約0. 038并且小于或等于100。
【文檔編號(hào)】G02B6/02GK104054011SQ201280065419
【公開日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2012年2月1日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月30日
【發(fā)明者】詹姆斯·道爾頓·貝爾 申請(qǐng)人:詹姆斯·道爾頓·貝爾