CN104054011A - 同位素改变的光纤 - Google Patents

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Abstract

一种光波导，具有一个高纯度玻璃形成的披覆层、或一个高纯度的同位素比例改性的玻璃形成的披覆层，并且具有一个高纯度的同位素比例改性的玻璃的内芯，其中该内芯玻璃的折射率大于该披覆玻璃的折射率，所述高纯度的同位素比例改性的内芯材料具有的Si-29同位素比例为所述内芯中所有硅原子的至多4.447％的Si-29(原子/原子)、或所述内芯中至少4.90％的Si-29(原子/原子)原子，或者具有的Ge-73同位素比例为所述内芯中所有锗原子的至多7.2％的Ge-73(原子/原子)、或所述内芯中所有锗原子的至少8.18％的Ge-73(原子/原子)。

Description

同位素改变的光纤
技术领域
本发明总体上涉及一种同位素改变(isotopically altered)的光纤，并且特别涉及一种贫或富含Si-29同位素原子的石英纤维、或者贫或富含Ge-73同位素原子的石英纤维。
背景技术
光损耗是典型地包括数百千米的基于石英的光纤的光网络和链路的设计和构造中的一个限制性因素。石英纤维中的光损耗主要由以下两个因素造成：(1)瑞利散射，其作为1/λ4(其中λ是波长)的函数而降低并且在较短波长占主导；和(2)石英的红外吸收，其在较长波长占主导。典型的二氧化锗(GeO2)掺杂的石英内芯纤维具有在1510nm与1610nm之间的0.189db/km至0.200db/km的损耗。
之前曾经尝试通过同位素上改变这些纤维区域来开发一种具有更低透射率损失的光纤。参见美国专利6,810,197和6,870,999。损耗上的改进受限于约0.145db/km至0.155db/km，并且主要通过将最小光损耗的波长偏移至约1670nm、并部分通过将该折射率掺杂剂从锗改变为氧-17来完成，尽管这些发明人可能还没有认识到由于他们使用氧-17而减少损耗的原因。
纤维光学科学家和工程师未认识到Si-29同位素是几乎所有石英折射率从1.0000偏离的来源，其中天然同位素比例的氧-17提供正常(天然)水平下的较小增加。同样，这些科学家和工程师未认识到Ge-73同位素(通常使用的掺杂剂)在其天然同位素比例下(从1.46至约1.47)增加熔融石英的折射率。还未认识到的是造成大部分瑞利散射的Si-29掺杂剂存在于现有技术光波导中。它们不Si-29作为一种掺杂剂，因为其是一种硅的天然存在的稳定同位素。
因此，石英中Si-29同位素比例的减少，比如，为1/100(从自然界的4.67％原子/原子至0.0467％原子/原子)将导致一种具有1.005的折射率的材料，并且减少为1/33将导致一种具有1.015的折射率的材料。这两种材料，具有1.015-1.005＝0.010的折射率差，正好在分别变为一种新纤维的披覆物和内芯的合适范围内。
类似地，美国专利6,490,399描述了用硅-30代替硅-28同位素，其具有移动至本征IR吸收线图的右侧的类似效果。这导致开发了一个新的可用传输区域。参见图2，示出了一个从约1610纳米直到约1710纳米波长的标记为，“B”的区域，其中同时用Si-30代替Si-28，并且用O-18代替O-16。
美国专利6,810,197在其“发明概述”(第1栏，第58行至第3栏，第14行)中描述了由于可能的放大器间间距从125千米增加至156千米，对于一个跨大西洋(Atlantic)链路所需要的放大站数量减少了11个单元。然而，该益处实际上几乎肯定是错觉。从1610直到1710传输的任何实际链路还将被设计为使用1510-1610带，并且该同位素代替将并不显著地辅助大部分1510-1610nm带中的纤维传输。由于放大1610-1710带的相同放大站也将是放大1510-1610带的那个，后一个带上的适当操作将要求维持与当前所需要的相同的、125千米的放大器间间距。因此，唯一可用的改进将是增宽在其上可以发送信号的可用带宽。换句话说，用Si-30代替Si-28以及用O-18代替O-16实际上不能由于波导损耗减少而产生任何节约，并且甚至该增宽的带(包括1610-1710区域)有可能仅在其中波分多路复用(WDM)信号已经占据所有1510-1610带宽的链路中是有益的。
类似地，专利6,490,399对日本专利摘要JP-A-60090845的引用描述了一种使用多孔SiO2预成型物的氘冲洗以用-OD基团替换现有的-OH基团的方法，因此使它们的吸收带(包括1400nm)偏移至长得多的波长-长于1710nm。然而，这种技术被描述为“昂贵的”，部分因为纤维制造厂商已经很好地完成了减少-OH含量的工作，部分由于描述于专利3,933,454，第7栏，第1行至第8行，第68行中的Cl2处理的连续改进。
然而，这仅意味着-OH吸收光谱(尤其在1400nm处，参见图2)与该“瑞利散射”最低线(参见图3)相比是足够低的，从而使得另外的改进似乎没有益处。本发明，(部分地)通过大量减少Si-29浓度直到1/50-1/100或更小，具有将“瑞利散射”最小值大大减少一个大的、相关的量的作用，这将使得实现如JP-A-60090845中所描述的氘(D2)冲洗的额外效用。
因此，本发明的Si-29减少的一个实施例将可能具有来自氘(D2)冲洗，以及用Si-30代替Si-28、或用O-18代替O-16、或两者的另外的意料之外的益处。这些改性的完全实施将导致一种具有在约0.01db/km或更低的损耗下从至少1230nm至约2000nm的传输带宽的光波导，并且因此可以实现无或最多一个放大站的横跨大西洋的传输。
这个尝试使表示“IR吸收”的线(参见图4和图5)偏移到这些图的右侧。这具有减少最小吸收的作用，由“IR吸收”、“瑞利[散射]”、以及“UV”的稍微降低的总和引起，其中所产生的传输带宽在一定程度上增宽。
然而，本发明不仅攻击该“IR吸收”线，而且实际上还有该“瑞利散射”线。参见图10，长的阴影线，标记为“瑞利散射”。
Si-29散射中心的量值减少为“1/X”将使该“瑞利散射”线的高度减少为“1/X”和“1/X”平方根的范围内。这将导致对于Si-29浓度减少为1/33，由于瑞利散射作用，衰减减少为1/33与1/33的平方根(约5.9)之间。这显著减少了1310nm带中、以及最高达约1650纳米波长中的所看到的总衰减。
当然，专利6,810,197的特征的一部分的组合，在该内芯和靠近该内芯的披覆区域两者中用O-18代替O-16，并且Si-29同位素比例显著减少至并且通过1/100减少(至0.0467％的Si-29原子/原子)组合以导致总衰减的显著减少，由于信号穿过光波导。
专利6,810,197的作者认为至少一些O-17同位素是必须的以提供有用的益处，用氧-18共同代替将通常存在于非同位素改性的纤维中的大多数氧-16。参见，例如，专利6,810,197中的权利要求1、3、4和9。
相比之下，本发明指定了一种O-17同位素的存在或不存在，但处于足够低的比例以与专利6,810,197的权利要求或其他专利或申请重叠。
熟悉纤维光波导设计领域的人，即纤维光学科学家和工程师，将能够定义，对于一个给定的传输波长和内芯直径，使其起到一种单模传输介质的作用、或可替代地起到一种多模传输介质的作用而必须的折射率差。
熔融石英折射率可以从约1.46的天然同位素分布值调整至低至1.0000的几乎任何值，取决于所实现的Si-29同位素比例的减少。因此，折射率为1.015和1.005的以上实例是示例性的并且无限制。
专利6,128,928描述了添加至光纤的披覆或内披覆区域的少量掺杂氧化锗的抗游离氧益处。然而，在此背景下，Ge-73同位素的折射率升高作用(专利6,128,928的作者不认为Ge-73同位素正是该折射率升高作用的大部分来源)是一个缺点。相反，本发明的发明人指定仅仅(或大部分地)添加与Ge-73同位素原子不同的锗原子，以便获得专利6,128,928的相同益处而不升高折射率。6,128,928专利的作者显然没有预期以下可能性：可以使用一个氧化锗的同位素改性样品，而不是一个天然同位素样品。
本发明的发明人熟悉光学器件和波导的原理，已经于1977年秋季在MIT参加了编号为“8.03”的物理课程。
在2007年初，本发明人有机会阅读了一本关于光纤构造和用途的非常高度技术性方面的1979年的书。在2008年九月/十月，本发明人有机会阅读了美国康宁玻璃厂诉住友电气公司案(Corning Glass Works v.Sumitomo ElectricU.S.A.)，在671F.Supp1369(S.D.N.Y.1987)的地方法院案件和在868F.2d1251(联邦巡回法院1989)的联邦巡回法院上诉案件两者。这提供了光纤研究历史和关于其构造和设计的细节的非常广泛的讨论。
本发明人还碰巧获得了一个每种元素(总计约256种)的天然存在的同位素的列表。硅由约92％的Si-28、4.67％的Si-29、和3.1％的Si-30组成。锗是约7.8％的Ge-73。一个给定的核素(一种同位素的原子核)具有一种被称为“自旋”(实际上，“电磁自旋”)的特性，如果它具有奇数质子或奇数中子。因此，硅的同位素中仅Si-29(4.67％原子/原子)具有“自旋”，并且仅Ge-73(7.8％原子/原子)具有“自旋”。
“自旋”可以被认为是由以下事实造成的永久摆动：一个单一的、未配对的核子保持存在。它导致(带正电荷的)原子核的振动，使得原子核表现得像一个微小的条形磁铁。这种自旋可以用于核磁共振分析(最常见地用氢-1原子)、以及磁共振成象中。偶尔，同位素还用作“示踪物”以跟踪化学反应的机理。
通过阅读康宁公司案例，本发明人知道添加约8％(重量/重量)的二氧化锗(GeO2)到石英(SiO2)中具有升高纯石英的折射率(为1.4584)至约1.466的作用。但本发明人想知道为什么会这样？我突然想到由于硅原子是仅4.67％含自旋，并且这些替换锗原子是7.8％Ge-73，本发明人认为可能含电磁自旋的原子的存在是材料甚至具有大于空气或真空(1.000)的折射率的潜在原因，并且结果证明本发明人是正确的。即使那样，本发明人理解本发明人不知道是否一个给定的Ge-73原子具有比一个Si-29原子更大的对折射率的影响(总体上)，但是这是当时本发明人不能回答的问题。
然而，Si-29可能是石英具有超过1.000的折射率的潜在原因的认识导致了接二连三地许多想法：
1.可以添加Si-29到石英中，而不是添加GeO2到石英中，以增加其折射率超过该披覆区域的折射率。
2.可以降低该披覆区域中Si-29同位素原子的比例，而不是增加该内芯中它们的比例，并且因此产生具有一个功能性光波导所必须的折射率差。
这些想法中的任一者是有趣的，但它们将仅提供光纤制造工业的益处上的少量增加。任一想法将轻微减少二氧化锗掺杂的光纤上的光损耗，但在这两种情况下，速度因子将保持接近现有光纤的c特征的68％。
最大问题是：能使该内芯和披覆物的折射率下降至多低并且该内芯和披覆物仍起到波导的作用？就目前所知，唯一的限制是不可能降低该披覆材料的折射率至1.0000的值，与真空相同的值。并且，用此类披覆物，该内芯将可能必须具有大了约0.008的折射率，并且因此它将是1.0080。
所产生的纤维将具有一个1/1.008的速度因子、或99.2％的c。本发明人认识到光纤的使用者能够将信号从0.68的现有速度因子加速到接近0.99将是非常有价值的。本发明人当时没有注意到具有98％-99％的c的速率因子的光纤的发明。
但这不是出人意料的，因为几乎不需要各种元素的同位素并且因此科技和工业极少尝试将相同元素的同位素分离。
在化学领域，示踪物(稳定的)同位素标记的化学制品有时用于分析化学反应。
在2000年初时间范围内授权了三个正是关于稳定同位素提高的主题的专利，一个给予德国电信公司(Deutsche Telekom)以及两个给予康宁公司。但它们讨论改性的仅有的同位素比是Si-28对Si-30、或O-16对O-18，以及更小程度上O-16对O-17。简单地说，Si-29未被考虑。
产生必需的同位素改性的前体(SiC14，四氯化硅)的机理已经存在。参见“千克硅项目(Silicon Kilogram Project)”(谷歌“千克硅球(Silicon KilogramSphere)”)。它们将含硅前体(其可能是硅烷(SiH4)或四氟化硅(SiF4))在俄国气体离心机中分离，并且稍后将其转换为单晶硅。相反，本发明要求将硅烷或四氟化硅转换为SiCl4，SiCl4可以直接用作至与康宁公司在1976年获得专利权的相同类型的光纤制造方法的输入。
一种光传输材料和一种具有大大减少的折射率的波导的开发代表光学领域上的很大改进并且满足了光学工程师的长期感受到的需求。
本发明的披露
本发明是具有低于自然值1.4584的任何位置的折射率的石英(SiO2)的同位素改性版本。这意味着天然同位素比例石英以1/1.4584的c的速度传输光，其中c被定义为真空中的光速。(真空具有确切地1.0000的折射率，按照定义。)真空中的光速是约299,700千米/秒。光以约0.999c行进通过空气。图1中示出的图是来自1989版的大英百科全书，百科详编部分(Macropedia)，第23卷，第665-666页。所示出的最薄、最暗的区域代表在1880年可获得的光学玻璃。可以看到在1880年无法获得具有低于约1.45的折射率的已知玻璃。到1934年，技术已经发展到一个点，包括具有低至1.40的折射率的玻璃(参见标记为“普通光学”的无阴影区域)。
该图的剩余部分(染浅色的)示出了“自1934年开发的”不同种类的玻璃。在这些中，“氟磷酸盐”和“氟化物”玻璃包括具有约1.32的折射率的区域。当前可获得的玻璃不具有大大低于1.4584的折射率的原因是，总的来说，它们是用天然同位素比例石英制成的。换句话说，它们含有的Si-29量是自然的、占所有硅原子的4.67％(原子/原子)。本发明人已经发现几乎完全是Si-29(以及，小得多的比例上，O-17)造成石英的折射率大于1.0000。科学家和工程师没有认识到这一点，因为他们几乎从未见到过同位素比例改性的材料。他们通常见到的石英具有4.67％的Si-29比例(原子/原子)。可以制成具有1.02的折射率的石英，如果它具有0.20％Si-29的同位素比例(原子/原子)。可以制成具有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。该作用不是精确线性的：出于说明的目的对这些值进行选择。
更具体地，本发明涉及一种包含石英的光波导，该石英以硅同位素Si-29变化的以及通常严重地贫硅同位素Si-29的同位素比例存在。Si-29的同位素比例从通常在自然界发现的4.67％(原子/原子)显著减少为约1/50(为约0.093％Si-29的同位素比例)将产生具有约1.010的折射率的熔融石英。这与天然同位素比例的熔融石英中存在的1.46的折射率形成对比。本发明的目的是提供一种具有波导性能上特定改进的光波导，该光波导包括：
1.可设定为一个远大于通常与具有1.46折射率的石英相关的0.67值(1/1.46＝0.67)的值的信号速度因子。这个速度因子应该是可调整高达至少0.995，意味着这些光学信号将以99.5％c的速度横穿该内芯区域。光以约0.750c行进穿过纯水。光以约66％c行进穿过普通类型的玻璃。因此，数据信号将能够比普通的常规技术光纤行进快约1.5倍。
2.从在二氧化锗掺杂的石英纤维中常见的0.191-0.200db/km、以及从在非掺杂内芯石英纤维中典型地见到的0.160db/km的光损耗上的非常大的减少。这个减少将为至少1/5、并且在已经添加全部同位素改性的情况下可能大大小于1/50。如果实现后者的值，并且因此实现0.0032db/km的损耗值，那么纤维信号可以用两次、一次、或甚至无中间再放大而被传输通过大西洋。这种瑞利散射的减少将覆盖500nm-1650nm带的大部分。
3.色散和脉冲展宽上的较大减少，与光损耗的减少相当，以包括400-700nm的可见波长的大部分、以及700-1650nm的红外波长的大部分。
在一个实施例中，该披覆物的折射率减少至约1.005将与该内芯的1.015的折射率组合，导致一个约0.985的速度因子，意味着这些数据信号将以光在真空中行进的约98.5％的速度行进。在这个具体实施例中该内芯与披覆物之间的折射率差是通过至少四种机制来实现的：
1.将该内芯区域石英中Si-29的同位素比例减少至约4.67％/30，同时改变该披覆区域中Si-29的同位素比例至约4.67％/100。
2.将该内芯和披覆区域两者中Si-29的同位素比例减少至约4.67％/100，同时添加一些Ge-73同位素(或更大比例的天然同位素二氧化锗)以增加折射率至1.015。
3.将该内芯和披覆区域两者中Si-29的同位素比例减少至约4.67％/100，同时添加足以将该内芯的折射率升高至足以维持适当波导作用的水平的一定比例的氧-17同位素原子(大于在自然界发现的0.038％比例)。
4.将该内芯和披覆区域两者中Si-29的同位素比例减少至约4.67％，同时添加到该内芯区域中足以将该内芯的折射率升高至足以维持适当波导作用的水平的量的氧-17同位素和锗-73同位素两者(或氧-17同位素原子和含显著的锗-73同位素比例的一些二氧化锗两者)。
在另一个实施例中，该内芯和披覆区域的折射率设定点被设定为不同值，但维持该关系以便该差起到进行波导作用的功能。它们可以被设定为，例如，1.04的内芯折射率和1.03的披覆物折射率。
这个选择减少了纯化一个前体材料的同位素样品的要求。该内芯区域仅需要由Si-29含量减少至比天然样品中发现的4.67％原子/原子低12倍的硅原子制成，然而该披覆区域仅需要由Si-29含量减少至比Si-29同位素原子的4.67％原子/原子低17倍的硅原子制成。
在又另一个实施例中，该内芯和披覆区域两者几乎完全由二氧化锗(GeO2)构成，该二氧化锗已经被同位素改性为将Ge-73同位素原子的正常比例分别减少为1/100和1/300(分别地7.8％/100和7.8％/300原子/原子，类似于以上项1)。类似地，在另一个实施例中，该内芯和披覆区域两者几乎完全由二氧化锗构成，该二氧化锗已经被同位素改性为将Ge-73的正常比例减少为小300倍(7.8％/300)，但其中该内芯的折射率通过添加少量掺杂Si-29原子或O-17同位素原子、或两者而被升高。
在另一个实施例中，并且为了减少必须使用的同位素改性的材料的量，该内芯区域被构造以便直接被一个内披覆区域、以及然后一个外披覆区域围绕，有可能的是，用于该外披覆区域中的材料在Si-29同位素上将被减少至更少程度。例如，该内芯可以被设定为一个1.015的折射率，该内披覆物可以被设定为一个1.005的折射率，并且该外披覆物可以用与在地球样品中发现的以天然同位素比例中发现的这些种类的4.67％原子/原子(对于Si-29)或7.8％原子/原子(对于Ge-73)比例相同或接近的Si-29(或，可替代地，Ge-73)的同位素比例来制成。这种构造方法将倾向于将所用的材料的成本最小化。然而，应注意在这种技术中，该内披覆物/外披覆物界面的直径必须足够大于该内芯/内披覆物界面的直径，以确保不大于一个可接受比例的光可能“泄漏”到该外披覆区域内并且损耗，由此增加该纤维的总衰减。纤维光学工程和科技领域的普通技术人员将能够在数学上预测、并且由实验分开地证实：该内披覆区域的外直径是足够大于该内芯区域的直径以降低损耗至可接受水平。
同位素改性的材料的来源
石英衍生自贫Si-29同位素原子的含硅前体。这些含硅前体可以具有至少三种类型：
1)Si-28同位素原子的同位素比例提高至约99.5％原子/原子，并且Si-30同位素原子减少至非常小或可忽略的量：此类同位素分布可以从一个气体离心机的输出来预期，选择轻分子SiF4或SiH4。
2)Si-30同位素原子的同位素比例提高至约90％原子/原子或更多，并且Si-28同位素原子减少至10％或更少。这也将是一个气体离心机输出产品，选择重分子……
3)从4.67％原子/原子的天然比例减少Si-29同位素原子的同位素比例，但另外不使Si-28和Si-30同位素原子的相对比例变化很大。
在这些实例的每一个，Si-29比例被设定为一个值，该值被计算为实现对于如沉积原样的石英材料的具体折射率。
对于一个典型的优选实施例，使用具有约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同位素组别(以上项2)与99.5％Si-28同位素组别之间的主要差将导致对于在超过1600nm的波长处的IR信号传输的宽通频带。该增宽的传输谱的具体范围和这些损耗数字不能在构造这些纤维之前容易地进行预测，但将理解的是这些额外的可用的频率(特别在远低于0.1db/km的损耗下)未被现有技术光波导预期。还将理解的是这些额外的可用的频率未被提供、或预见，连同由于超低损耗传输而同样可用的从约1400nm的传输带。
本发明的其他目的和目标的认识和其更完整和综合的理解可以通过参考附图并且研究以下进行本发明的最佳方式的描述来实现。
附图简要说明
图1是对于光学玻璃范围的折射率n对收缩性v的图。来自F.J.TerenceMaloney，1968年，双日公司(Doubleday&Company,Inc.)的现代世界中的玻璃(Glass in the Modern World)。
图2是公开2003/0002834的图1的复制。
图3是专利6,490,399的图1的复制。
图4是专利6,810,197的图4的复制。
图5是专利6,810,197的图5的复制。
图6是专利6,810,197的图9的复制。
图7是专利6,810,197的图12的复制。
图8是专利6,810,197的图10的复制。
图9是专利6,810,197的图11的复制。
图10是专利6,810,197的图2的复制。
实现本发明的最佳方式
本发明的益处
由于通过将Si-29含量从天然的4.67％原子/原子减少至约0.01％、或甚至更低而具有少至1.001的折射率的玻璃材料的可获得性，一个波导中内芯的折射率可以是约1.001-1.002，并且因此穿过该纤维传输的信号的“速度因子”可以是至少高达(1/1.001)、或99.9％c。
现有的光纤电缆典型地使用以约(1/1.47)、或68％的“c”进行工作的波导。信号在约36毫秒的单向延迟内可以被传输约6,000千米的距离，大致纽约与伦敦之间的光缆长度。即便使用被设计为更直并且更直接的一个当前提出的路线，5000的光缆距离和30毫秒的单向延迟是当前技术可以提供的最小值。
然而，将该纤维转化为具有速度因子99.5％、而不是迄今为止典型值68％的纤维导致约36毫秒的2/3或24毫秒的在更长路线上的单向延迟。在被预测为具有用普通光缆的30毫秒的单向延迟的较短路线上使用较快的纤维将产生2/3乘以30毫秒、或20毫秒的单向延迟。
信号延迟上的这种差异通常地对于实时交互式视频、服务器响应、数据库查找、互联网游戏、以及低延迟电话通信是极其重要的。它还允许对于相同的延迟，数据库和其他服务器位于进一步远离用户。
金融市场，如证券交易所，将特别受影响。几毫秒的额外延迟(每个方向)可能花费大容量股票交易公司数千万美元/月。在纽约与伦敦之间、或在纽约与洛杉矶之间的延迟减少为2/3，从36毫秒至24毫秒或甚至20毫秒，将不只是将一个单一国家而最终是将整个世界更紧密地连接。
互联网游戏是另一种用途。现今，位于比如纽约和澳大利亚悉尼的两个用户可以被锁定在(无血的)数字战斗中，其中他们的计算机仅在100毫秒后得知对手在做什么。这些延迟，虽然看起来小，是相当可察觉的并且实质上影响游戏的流畅。在单向链路延迟中减少为2/3，从100毫秒至67毫秒，将提供最小的理论上可能的延迟。
光损耗益处
长期以来被接受的是一个纯石英内芯波导在约1560nm的损耗最小值处的最小光损耗是0.151db/km。这在用Si-30代替Si-28、以及用O-18代替O-16的可能性下在一定程度上被改变。但是，改进至低于0.10db/km仍看起来难以实现，并且被认为是昂贵的。
本发明通过将Si-29减少为1/50、1/100、或更小，使光损耗减少为1/10、并且很有可能1/100或更小。这允许中继器实现较少的5000千米或更大的跨度。
光频带宽增加益处
在1510纳米与1610纳米之间的当前光学带宽随着本发明增加至至少1450nm直至1800nm，并且很有可能1230nm至2000nm。虽然完全利用这些波长中的一些将等待合适的激光发射器和检测器的产生，这个新的传输区域的一大部分应该是几乎立即可获得的。在任何情况下，这种新容量纤维可以被立即安装，在传统的1510-1610带下进行操作，并且作为接收器和发射器扩展的波带变得可获得的。
然而，在没有将(如果它们存在的话)额外的带宽放大的匹配的纤维放大器的情况下，仅能够将光纤的传输带宽从1510-1610nm增加至包括比如1610-1710nm带(如专利6,810,197所做的)是几乎没有价值的。基于铒的纤维放大器大致在1520-1565nm带宽的区域中进行放大，使其成为主要的传输区域。虽然将可能在每个放大器处检测并且重新传输此类信号，但这将是昂贵的并且将使得该额外的带宽无效。仅安装额外纤维以实现更大的容量将是更便宜的。
如果，相反，这个带宽可以不仅是可获得的，而且以约0.01-0.02db/km的损耗是可获得的，可以使用一个宽得多的带，并且甚至根本无需使用任何纤维放大器(或，最多，在约大西洋的中点处一个检测和重新传输放大器)。
通过使用本发明而可以使用的带宽从约1430nm进行至1750nm，约320nm(比1520-1565nm带的45nm宽了七倍)，并且将用于使用Si-28对Si-30、和O-16对O-18的普通同位素分布。通过使用几乎所有Si-30，以及几乎所有O-18，可获得的带宽增加至1430-2000nm、或570nm(比1520-1565nm带宽了约13倍)。
显著减少的材料来源的色散因子
该波导材料中Si-29同位素原子比例上的较大减少将导致该如制造原样的光波导的总体色散的同量的较大减少。参见图6和7。可归因于该波导本身的色散部分(参见图8)将可能保持相同，并且该折射率分布色散可以进行选择以中和在其他同位素改性过程完成之后可能保留的任何残余总色散。熟悉光纤波导设计领域的普通技术人员将能够定义将完成所希望的色散水平的内芯对比披覆物的各种代替。
本发明考虑一种重新设计的光波导，具有该内芯和披覆区域中Si-29的同位素比例上的较大减少(大约在来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倍与100倍减少之间)，这将导致从图6类推的“材料D[色散](内芯)”的值中曲线的较大改变、以及从图8类推的“波导D[色散]”中曲线中小得多的改变(若有的话)，与从图9类推的“O-8内芯/O-16披覆物”组合，分布D。
换句话说，图9上线4的单调升高和直的线将部分补偿图8中的线1-4的一条或多条单调下降和直的线。这些值的加和的残差(residual)可以与的Si-29减少曲线组合，类似于图6，线4，可以预期其具有远远低于专利6,810,197中的斜率。
明断选择的，类似于图7的“总D[色散]”的总色散将是“材料D[色散]”、“波导D[色散]”、和“折射率分布D[色散]”的线性总和，并且可以低于一个1.0ps/nm/km的值，该值是从图7上示出的普通同位素“O-16内芯/O-16披覆物”上在1.6微米波长处的约20ps/nm/km的值的非常大的减少。
纤维光波导科学家和工程师早已熟悉色散补偿纤维(DCF)的需要和使用。用于相对短的长度(如与存在于典型的光波导链路中的数百或数千千米相比)中的这些纤维的目的是对抗、并且因此抵消并完全或部分地中和一个给定光学信号的不同波长部分的到达时间上的改变。它们的使用可能是关键的，以便能够实现一个给定的实际数据链路可以携带的最大比特率(技术上，符号率)。原因是色散倾向于在时间上使组成一个给定比特的光学信号的转换的到达时间模糊。
例如，一个40G比特/秒(40十亿比特/秒)的符号率意味着一个(1/40,000,000,000)＝25皮秒的比特时间，如果一个比特存在于每个光学信号符号中。这个速率，40G比特/秒，是用于最近安装(或升级的)数据链路中的最快的商业上可获得的数据速率。然而，具有一个能够检测25皮秒最小信号时间的光学检测器几乎没有好处，如果那个比特(符号)已经在时间上扩展为比如50皮秒或更多。由于根据傅里叶定律，一个40G比特/秒信号的光学波长带宽将是约最小0.3纳米，一种具有20ps/nm/km的色散的未补偿的常规纤维将在约四千米的纤维长度之后在25皮秒的时间中添加色散导致的模糊。因此可以看出，对该色散的补偿对于允许甚至对短距离纤维的40G比特/秒的维持是必不可少的。
虽然大部分的光纤色散当前是用色散补偿产品进行补偿的，但任何此类补偿的完整性倾向于受限为小于100％。因此，该主要纤维越好(其基线色散越低)，可以预期最终的如补偿原样的光学链路的色散越好。本发明的将原始的、未补偿的纤维色散减少为1/10或更小的前景提供了信号色散中类似的如补偿原样的改进的前景。
本发明可以使用来自美国专利#4,435,040的技术
预期用本发明构造的光波导也将能够使用美国专利#4,435,040中所描述的双披覆工艺，具有某些注意事项和改变。首先，应该记住在现有技术波导中，该内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。此类波导中的光学信号的物理波长是例如1510纳米除以1.46、或约1050纳米。相比之下，在一个其折射率为约1.01的波导中，该波导中的物理波长是1510纳米/1.01、或约1495纳米。由于在该波导内波的行为是基于该引导件的尺寸(与该光波的尺寸相比)，预期波导部件的尺寸如该内芯和披覆物的大小将被确定为大于现有技术纤维，约1.46/1.01、或1.45倍，所有其他是相等的。
其中，例如，专利4,435,040指定大于2×4微米、或8微米的有效内芯直径，这将转化为8微米×1.45、或11.6微米的内芯直径。类似地，其中专利4,435,040指定在该内芯半径与该内部披覆物半径之间约0.5倍与0.8倍之间的差异，此类因子将在11.6微米上运算，导致一个约23.2微米和14.5微米的内披覆物的外径。
专利4,435,040还预测该外披覆区域的厚度应该比该内芯半径大约6倍与8倍之间、或(6-8)×(5.8微米)、或在34.8微米与46.4微米之间，这将使得该外披覆区域的OD为11.6+2(34.8至46.6)或在81.2微米与104.8微米之间。该外披覆区域的外部被允许是可能具有与普通石英的折射率、或1.46相等的折射率的又另一个披覆区域。
另一个注意事项是许多专利像4,435,040涉及一种材料的折射率的百分比上的改变，例如可以预期接近天然同位素石英的折射率、或1.46的一个值的“0.1％至0.6％”。这转化为0.1％乘以1.46的改变、或0.00146的差异至1.46的0.6％、或约0.00876的改变。
但当一种石英材料被同位素改性以大大减少Si-29含量，例如至Si-29的自然界的4.67％原子/原子的约1/100，并且因此为一个大致1.005的折射率时，不可能将那个值(1.005)减少0.00876。真实的、均质材料的折射率不能低于真空的折射率、或1.0000。因此，关于折射率上的百分比变化(如“0.1％至0.6％”)不能照字面上使用，它们必须被转化以反映什么是预期达到的，即大于1.000的折射率的数值上的差异。可以预期光波导设计领域的普通技术人员可以成功地将最初旨在用于接近1.46折射率材料的原理转化以适用于具有远远更接近1.00的折射率的新材料上。
作为Si-29同位素原子的同位素比例的函数的熔融石英折射率
如以上所述，当硅-29的同位素百分比从其4.67％原子/原子的正常(如自然界中发现的)值变化时，石英的折射率将变化。为了计算对于一个给定的Si-29比例的石英的折射率，使用以下公式：
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实例表：
(这些数字忽略了氧-17含量对熔融石英玻璃的总折射率的少量贡献)。
具有自然界值的1/40的Si-29含量的熔融石英与具有自然界值的1/100的Si-29含量的熔融石英的折射率差是：1.0140-1.0056＝0.0084
这个差约等于典型的单模光波导使用的折射率差。由此得出结论一个光波导可以用一个含具有0.117％(原子/原子)的硅同位素比例的纯熔融石英的内芯区域、和一个含具有0.0467％(原子/原子)的硅同位素比例的纯熔融石英的披覆区域构成。对于光波导设计和制造领域的普通技术人员来说将明显的是，由于可以维持对纯熔融石英的折射率的独立和精确的控制，而无需添加任何外来掺杂剂，一个光波导设计者将具有对这些光学特征比之前存在的远远更大的控制。
可以实现的最明显的改进是使用具有1.02的内芯折射率的材料来构造光波导。所产生的速度因子将是约(1/1.02)、或98％的c。具有这种特征的纤维，当被部署时，将显著减少所涉及的数据延迟。
在某种程度上较不明显的第二改进是由于Si-29同位素原子本身代表一种掺杂剂，并且因为光损耗是由掺杂剂原子造成的瑞利散射的函数，所以Si-29原子的浓度减少为1/40(来自以上实例)可能导致从在二氧化锗掺杂的内芯、石英披覆的光学纤维中典型地发现的0.19分贝/千米的值的光损耗上的40倍减少。这个大小的光损耗，可能至0.005db/km，可以几乎消除光放大器的需要，除了在最长的纤维链路上。
石英的固有损耗的如此大的减少可能揭露了将必须修正的制造缺陷和限制，并且拼接损耗减少的研究将具有新的、更大的紧迫性：当等于1.0千米的纤维损耗(0.19db/km)时，一个损耗0.2分贝的拼接可能已经看起来是合理的，但当它被看作40千米的纤维损耗(40×0.005db/km)时，那将变得完全不可接受。
一个第三改进将非常可能是石英本身的色散上的显著减少，可能减少为多达1/40，具有以上实例中所描述的Si-29同位素含量的40倍减少。由于总波导色散是不仅仅由该材料、而且由该波导本身的几何结构造成的色散的总和的函数，所以更难预测可以实现的总体改进，但10倍大小的总色散减少是看似合理的。此类改进将允许更高的符号率(经常等于比特率)，并且可以显著减少当前使用的复杂色散补偿的需要。
一个第四改进将是可用光频的宽度上的较大增宽，特别地如果所有光损耗经受相同的40倍减少，与以上所描述的实例中的Si-29比例上的40倍减少相当。当前最长距离数据链路受限于接近1540纳米的波长，但可用的区域可以延长至可能500纳米至2000纳米，具有在950nm和1.400nm周围的限制。支持此类更宽带宽必需的辅助光学器件和电子器件必须变得可获得的，但一个给定的安装的纤维可能后来用于使用这些新波长区域。
实例
1.一种光波导可以包括一个高纯度光学玻璃(主要为石英或二氧化锗或两者)形成的披覆层、和一个高纯度光学玻璃(主要为石英或二氧化锗或两者)形成的内芯区域，其中所述玻璃中的任一者或两者含有其中小于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/原子是锗-73同位素原子的锗原子、或两者。
每个百分比可以是通常在每种元素的地球样品中发现的Si-29和Ge-73同位素原子的同位素比例的0.95的因子。
如果这个波导是石英构成的，那么分别地该内芯或披覆物中所述氧原子的至少10％可以是氧-18。
2.一种光波导可以包括一个高纯度光学玻璃(主要为石英或二氧化锗或两者)形成的披覆层、和一个高纯度光学玻璃(主要为石英或二氧化锗或两者)形成的内芯区域，其中该内芯中至少50摩尔百分比的氧、和/或该披覆物中至少50百分比的氧是氧-18。此外，然而，该内芯区域和/或该披覆区域可以含有小于氧-18同位素量的5原子％的比例的氧-17同位素。
3.一种光波导可以包括一个高纯度光学玻璃(主要为石英或二氧化锗或两者)形成的披覆层、和一个高纯度光学玻璃(主要为石英或二氧化锗或两者)形成的内芯区域，其中该内芯、或披覆物、或两者中至少70原子％的氧是氧-18同位素。然而，此外，氧-17原子的量是小于总氧原子含量的5原子％。
4.实例1、2的光波导中的任一者进一步在该内芯、或该披覆物、或两者中包括一种掺杂剂。然而，不要求该内芯中的掺杂剂与该披覆物中的掺杂剂相同、或它们在该内芯和该披覆物中以相同的浓度存在。这种或这些掺杂剂可以是天然同位素比例的锗、任何非天然同位素分布的锗、或Si-29同位素、或磷、或其组合。
5.在实例1、2、3的所有光波导中，含有贫Si-29的SiO2的区域的体积百分比或含有贫Ge-73的GeO2的区域的体积百分比可以是小于50％。
6.在实例1的光波导中，该内芯中至少70原子％的氧可以是氧-18，或邻近该内芯的披覆物的区域中至少70原子％的氧可以是氧-18，并且氧-17的量可以小于分别地这些区域中总氧原子含量的5原子％。
7.在本发明的光波导的任一个中，该内芯可以具有一个恒定的或梯度的折射率。
8.在本发明的光波导的任一个中，该纤维可以被一个由玻璃或塑料制成的外层围绕。
9.在本发明的光波导的任一个中，该玻璃材料可以在这些内芯和披覆区域中的任一者或两者中包含纯的或掺杂的二氧化锗玻璃，其中Ge-73同位素的同位素比例减少至最多7.2原子。
10.在本发明的光波导的任一个中，O-18的同位素比例可以在该内芯区域、或该披覆区域、或两者中升高至存在的总氧同位素原子的至少10％且至多100％。
11.在本发明的光波导的任一个中，Si-29同位素作为一种掺杂剂存在于该内芯中、或该披覆物中、或两者中。
12.在本发明的光波导的任一个中，O-17同位素的比例可以大于在地球上发现的0.038原子％的天然O0-17同位素比例。
13.在本发明的光波导的任一个中，O-17可以在该内芯或披覆物中与在地球上发现的0.038原子％的天然O-17同位素比例相比是减少的。此外，在该内芯或披覆物、或两者中可能存在天然或非天然比例的Si-29同位素。
14.本发明的光波导可以被这样设计，使得完全或部分地通过硅中Si-29的同位素比例差、或通过锗中Ge-73的同位素比例差将在该内芯区域与该披覆区域之间的折射率差维持为大于0.001原子％。
15.在本发明的任何光波导中，-OH可以通过如已在日本专利摘要JP-A-60090845中所描述的氘冲洗来减少。
16.在本发明的任何光波导中，该披覆物的折射率可以用一种氟化合物来减少。此外，Si-30或O-18、或两者的同位素比例可以大于该内芯或该披覆物或两者中天然的同位素比例。
17.本发明还是一种主要由石英或二氧化锗或两者制成的光传输材料，该材料已经被同位素改性为包含小于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。
18.在本发明的光波导的任一个中，该披覆物或披覆层可以掺杂有一个锗原子的同位素改性样品，或者该最内披覆层可以被如此改性，使得存在的锗原子的同位素分布已经在Ge-73同位素上减少至最多7.2原子％。优选地，二氧化锗的量是在按重量计0.005％至1％、优选按重量计约0.1％至约0.5％、并且最优选按重量计约0.1％至约0.3％的范围内。
已参考具体实施例对本发明进行了描述。然而，对于本领域的普通技术人员应该显而易见的是本发明涉及在不脱离以下权利要求的精神和范围的情况下可以作出其他修改和增强。

Claims (24)

1.一种光波导，包括：
a)一个具有第一高纯度光学玻璃的披覆层；所述第一高纯度光学玻璃包括石英、二氧化锗和一种石英与二氧化锗的混合物之一；所述第一高纯度光学玻璃具有一个第一折射率；
b)一个具有第二高纯度光学玻璃的内芯区域；所述第二高纯度光学玻璃包括石英、二氧化锗和一种石英与二氧化锗的混合物之一；所述第二高纯度光学玻璃具有一个第二折射率；
所述石英中Si-29与所有其他Si同位素的原子百分比是以下各项之一：
大于0并且小于4.44；以及
大约4.90并且小于或等于100；
所述二氧化锗中Ge-73与所有其他Ge同位素的原子百分比是以下各项之一：
大于0并且小于7.41；以及
大约8.18并且小于或等于100。
2.如权利要求1所述的波导，其中，在石英、氧化锗和一种石英与二氧化锗的混合物之一中O-17与所有其他O同位素的原子百分比是以下各项之一：
大于0并且小于0.038；以及
大约0.038并且小于或等于100。
3.如权利要求1所述的波导，其中，所述第一折射率高于所述第二折射率。
4.如权利要求1所述的波导，其中，所述石英中至少10％的氧原子是氧-18。
5.如权利要求1所述的波导，其中，所述内芯区域中至少50摩尔百分比的氧是氧-18并且所述内芯区域中小于5原子百分比的氧是氧-17。
6.如权利要求1所述的波导，其中，所述披覆区域中至少50摩尔百分比的氧是氧-18并且所述披覆区域中小于5原子百分比的氧是氧-17。
7.如权利要求1所述的波导，其中，所述内芯区域中至少70原子百分比的氧是氧-18并且所述内芯区域中小于5原子百分比的氧是氧-17。
8.如权利要求1所述的波导，其中，所述披覆区域中至少70原子百分比的氧是氧-18并且所述披覆区域中小于5原子百分比的氧是氧-17。
9.如权利要求1所述的光波导，其中，所述披覆区域进一步包括一种掺杂剂。
10.如权利要求1所述的光波导，其中，所述内芯区域进一步包括一种掺杂剂。
11.如权利要求8或9所述的光波导，其中，所述掺杂剂选自下组，该组由以下各项组成：天然同位素分布的锗、非天然同位素分布的锗、硅-29、磷、硅-29以及其混合物。
12.如权利要求1所述的光波导，其中，含有含小于4.67原子百分比Si-29的石英的区域的体积百分比是小于50。
13.如权利要求1所述的光波导，其中，含有含小于7.8原子百分比Ge-73的二氧化锗的区域的体积百分比是小于50。
14.如权利要求所述的光波导，其中，所述折射率在径向上改变。
15.如权利要求1所述的光波导，进一步包括一个围绕所述披覆层的外层。
16.如权利要求14所述的光波导，其中，所述外层是由一种选自由玻璃和塑料组成的组的物质组成。
17.如权利要求1所述的光波导，其中，所述第一和第二高纯度光学玻璃中羟基浓度是减少的。
18.如权利要求16所述的光波导，其中，羟基的减少已经通过氘冲洗来完成。
19.如权利要求1所述的光波导，其中，所述第一高纯度玻璃进一步包括一种含氟化合物，由此所述第一折射率被进一步减少。
20.如权利要求1所述的光波导，其中，所述披覆区域进一步包括按重量计0.005％至1％的二氧化锗。
21.如权利要求1所述的光波导，其中，所述披覆区域进一步包括按重量计0.1％至0.5％的二氧化锗。
22.如权利要求1所述的光波导，其中，所述披覆区域进一步包括按重量计0.1％至0.3％的二氧化锗。
23.一种光传输材料，包含：
石英、二氧化锗和一种石英与氧化锗的混合物之一；
所述石英中Si-29与所有其他Si同位素的原子百分比是以下各项之一：
大于0并且小于4.44；以及
大约4.90并且小于或等于100；
所述二氧化锗中Ge-73与所有其他Ge同位素的原子百分比是以下各项之一：
大于0并且小于7.41；以及
大约8.18并且小于或等于100。
24.一种如权利要求23所述的光传输材料，其中，石英、二氧化锗和一种石英与二氧化锗的混合物之一中O-17与所有其他O同位素的原子百分比是以下各项之一：
大于0并且小于0.038；以及
大约0.038并且小于或等于100。
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