DE19749312A1 - Optisches Übertragungselement - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Übertragungselement, wie Lichtwellenleiter, optische Komponenten oder integrierte optische Komponenten, auf Quarzglasbasis mit zumindest zwei Quarzglasbereichen unterschiedlicher Silizium-Atommasse. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Lichtwellenleiter mit Fasern auf Quarzglasbasis umfassend einen Kern sowie einen diesen umgebenden Mantel mit unterschiedlichen Silizium-Atommassen.

Quarzglas wird für Lichtwellenleiter, optische Komponenten und integrierte optische Komponenten in großem Umfang in Telekommunikations- und Datennetzen sowie in der Medizin- und Sensortechnik und für die Materialbearbeitung eingesetzt. In der Telekom­ munikation werden hauptsächlich Einmodenfasern (Monomodenfasern) auf Quarzglasbasis mit einem Kerndurchmesser von etwa 10 µm und einem Außendurchmesser des Mantels von 125 µm eingesetzt. Die Brechzahl des Faserkerns von Standard-Einmodenfasern ist 0,3% bis 0,4% größer als die des Mantelmaterials, bei dispersionsverschobenen Einmodenfasern (DS-Fasern), für die das Dämpfungs- und das Dispersionsminimum etwa übereinstimmen, liegt die Brech­ zahldifferenz bei ungefähr 0,9%. Bekannte Einmodenfasern aus Quarzglas zeichnen sich durch eine große Übertragungskapazität und geringe Dämpfung aus. Nach H. Hultzsch, Optische Telekommunikationssysteme, Physik, Komponenten und Systeme, Pilotprojekte und Serientechnik im Netz der Deutschen Telekom AG, S. 115 werden von Standard-Einmodenfa­ sern im Dämpfungsminimum bei 1,57 µm Dämpfungskoeffizienten bis zu 0,18 dB/km erreicht. Bei DS-Fasern wurden als Bestwerte 0,19 dB/km gemessen. Der niedrigste bisher bekannte Wert von 0,15 dB/km wurde mit einer Einmodenfaser mit reinem Quarzglaskern und Fluor-dotiertem Mantel erreicht (s. G. Tanaka et al. "Characteristics of Pure Silica Single Mode Optical Fiber" Sumitomo Electrical Technical Review 26 (1987) 43).

Die Dämpfung von Einmodenfasern auf Quarzglasbasis in dem für die optische Nachrichten­ technik wichtigen Bereich zwischen 0,8 µm und 1,7 µm wird im Wesentlichen durch die Rayleigh-Streuung verursacht. Dieser Streuverlust α_R ist dem Reziproken der 4. Potenz der Wellenlänge λ proportional und wird beschrieben durch die Gleichung

α_R = A/λ⁴.

A wird dabei als Rayleigh-Streukoeffizient bezeichnet und in der Einheit [µm⁴ dB/km] angege­ ben (s. auch W. Heitmann "Attenuation Analysis of Silica-Based Single-Mode Fibers", Journal of Optical Communications, 11,4 (1990) 121).

Die Rayleigh-Streukoeffizienten für Standard-Einmodenfasern mit relativ geringer GeO₂- Dotierung im Kern liegen bei 0,9, für DS-Einmodenfasern mit etwa der 3-fachen GeO₂- Konzentration kann mit ca. 1,0 gerechnet werden. Für die Sumitomofaser mit 0,15 dB/km ergab sich ein Wert von A = 0,75. Allerdings ist es bisher nur einmal gelungen, eine Faser mit derart niedriger Dämpfung herzustellen. Bestwerte kommerziell erhältlicher Einmodenfa­ sern mit reinem Quarzglaskern liegen bei 0,17 dB/km entsprechend einem Rayleigh-Streukoe­ fizienten von etwa 0,8.

Grundsätzlich gilt, daß die Faserdämpfung durch die GeO₂-Dotierung erhöht wird. Ursachen hierfür sind zusätzliche Inhomogenitäten im SiO₂-Netzwerk durch die Germaniumatome und die Konzentrationsschwankungen in der Verteilung dieser Atome. Die niedrigste Dämpfung wird in Fasern mit reinem Quarzglaskern und einer Fluordotierung im Mantel erreicht. Das Herstellungsverfahren dieses Fasertyps ist jedoch so komplex, daß einzig und allein vor 10 Jahren ein 10 km langer Faserabschnitt mit einer Dämpfung von 0,15 dB/km hergestellt werden konnte. Trotz enormer Fortschritte in der Herstellungstechnologie von Lichtwellenlei­ tern konnte dieser Wert nicht reproduziert werden.

Mit Rayleigh-Streukoeffizienten von 0,75 bis 1,0 ist die untere, physikalisch mögliche Dämpfungsgrenze, die auch als intrinsische Dämpfung bezeichnet wird, noch nicht erreicht. Nach W. Heitmann (aaO) gilt nach dem heutigen Wissensstand als intrinsischer Wert für den Rayleigh-Streukoeffizienten von massivem Quarzglas bei einer Wellenlänge von 1,57 µm ein Wert von etwa 0,6. Wenn sich dieser Wert in Fasern realisieren ließe, könnte der Dämpfungs­ koeffizient von Einmodenfasern um mehr als 20% reduziert werden.

Ursache für den großen Unterschied zwischen dem minimalen Rayleigh-Streukoeffizienten in massivem Quarzglas und in Quarzglasfasern sind wahrscheinlich die inneren Spannungen in den Fasern, weiche die Struktur des amorphen Materials deformieren. Große innere Spannungen in den Fasern entstehen dadurch, daß die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von reinem und dotiertem Quarzglas erheblich voneinander abweichen. Eine übliche Brech­ zahldifferenz bei Standard-Einmodenfasern zwischen Kern und Mantel von 0,4% entspricht einer GeO₂-Konzentration von ca. 4 mol % im Quarzglas (s. T. Izawa und S. Sudo: Optical Fibers: Materials and Fabrication, KTK Scientific Publishers, Tokyo, D. Reidel Publishing Company, 1986, S. 40 u. 41). Nach Izawa (aaO, S. 48) weist reines Quarzglas einen thermi­ schen Längenausdehnungskoeffizienten von 5×10^-7 auf. Bei 4% GeO₂-Dotierungen erhöht sich dieser Wert auf 8×10^-7.

Quarzglasfasern werden aus der zähflüssigen Schmelze bei etwa 2.000°C gezogen. Nach dem Austritt aus dem Ziehofen kühlt die Faser sehr schnell ab. Von etwa 1.200°C bis zur Zimmertemperatur (20°C) entstehen dann durch die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffi­ zienten von Kern und Mantel in der Faser große innere Spannungen, die zur Erhöhung der Streuverluste und damit auch der Rayleigh-Streukoeffizienten führen.

Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zu Grunde, ein optisches Übertragungselement, insbesondere Lichtwellenleiter, der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß die Dämpfung, insbesondere für Licht im Wellenlängenbereich von 0,2 µm-3,0 µm, reduziert werden kann. Auch ist es ein Aspekt der Erfindung, hohe UV-Lichtleistungen übertragen zu können.

Erfindungsgemäß wird das Problem im Wesentlichen durch ein optisches Übertragungselement auf Quarzglasbasis mit zumindest zwei Quarzglasbereichen unterschiedlicher Silizium-Atommassen dadurch gelöst, daß zumindest ein Quarzglasbereich aus einem reinen oder im Wesentlichen reinen Dioxid der stabilen Isotope Si(29) oder Si(30) und der zumindest zweite Quarzglasbereich aus einem reinen Dioxid des stabilen Isotops Si(28) oder einem Dioxidgemisch mit einer mittleren Silizium-Atommasse besteht, die kleiner als die des Dioxides des ersten Quarzglasbereichs ist.

Insbesondere ist vorgesehen, daß der erste Bereich aus Si(29)O₂ und der zweite Bereich aus Quarzglas- mit natürlichem Si-Isotopen-Gemisch besteht.

Bevorzugterweise kann der erste Bereich aus Si(29)O₂ und der zweite Bereich aus Si(28)O₂ bestehen.

Nach einer weiteren Alternative wird vorgeschlagen, daß der erste Bereich aus Si(30)O₂ und der zweite Bereich aus Quarzglas mit natürlichem Si-Isotopen-Gemisch besteht.

Gute Ergebnisse lassen sich auch erzielen, wenn der erste Bereich aus Si(30)O₂ und der zweite Bereich aus Si(28)O₂ besteht.

In manchen Anwendungsfällen hat sich als Vorteil erwiesen, wenn der erste Bereich aus Si(30)O₂ und der zweite Bereich ein Gemisch aus Si(30)O₂ und Si(28)O₂ ist, wobei mit zunehmendem räumlichen Abstand von der Kernachse der Anteil von Si(28)O₂ zunimmt.

Ein Lichtwellenleiter aus Fasern der eingangs genannten Art zeichnet sich dadurch aus, daß der Kern aus einem reinen oder im Wesentlichen reinen Dioxid der stabilen Isotope Si(29)O₂ oder Si(30)O₂ und der Mantel aus einem Quarzglasmaterial kleinerer mittlerer Silizium-Atommasse besteht.

Nach der erfindungsgemäßen Lehre lassen sich aus Quarzgläsern der verschiedenen Si-Isotope ohne jegliche Dotierung folgende Fasertypen herstellen:
Fasertyp 1: Standard-Einmodenfasern mit einem Kern aus Si(29)O₂ und einem Mantel aus Quarzglas mit natürlichem Si-Isotopengemisch.

Typischer Kern-/Manteldurchmesser: 10 µm/125 µm.

Dieser Fasertyp läßt sich besonders wirtschaftlich herstellen, weil das Mantel­ material übliches Quarzglas ist und das Si-Isotop 29 in relativ großer Konzen­ tration (4,7%) im natürlichen Isotopengemisch vorkommt.

Fasertyp 2: Standard-Einmodenfaser mit Si(29)O₂ als Kernmaterial und Si(28)O₂ als Mantel.

Kern-/Manteldurchmesser wie bei Fasertyp 1.

Wie später gezeigt wird, zeichnet sich dieser Fasertyp durch besonders niedrige Dämpfung aus.

Fasertyp 3: DS-Einmodenfaser mit einem Kern aus Si(30)O₂ und einem Mantel aus üblichem Quarzglas.

Typische Kerndurchmesser 5 µm bis 8 µm, Manteldurchmesser 125 µm.

Auch dieser Fasertyp läßt sich besonders wirtschaftlich herstellen. Die Brech­ zahldifferenz von 0,77% ist zwar etwas geringer als bei bisher üblichen DS- Fasern, das läßt sich jedoch durch kleine Veränderungen des Kerndurch­ messers kompensieren. Eine weitere Möglichkeit zur Vergrößerung der Brech­ zahldifferenz besteht in einer leichten Fluordotierung des Mantelmaterials. Eine geringe Fluordotierung kann technologisch relativ einfach realisiert werden, z. B. dadurch, daß poröses Sootmaterial bei der SiO₂-Herstellung unter der Ein­ wirkung von fluorabspaltenden Gasen gesintert und konsolidiert wird.

Fasertyp 4 DS-Einmodenfaser mit Si(30)O₂ als Kernmaterial und Si(28)O₂ als Mantelma­ terial.

Kern-/Manteldurchmesser wie bei Fasertyp 3.

Für die auch hier etwas unter 0,9% liegende Brechzahldifferenz gilt das Gleiche wie für Fasertyp 3, gegenüber dem geringere Verluste zu erwarten sind.

Fasertyp 5 Multimode-Stufenindexfasern mit einem Kern aus Si(29)O₂ oder Si(30)O₂ und einem Mantel aus üblichem Quarzglas oder Si(28)O₂. Dabei kann der Mantel noch zusätzlich mit Fluor dotiert sein.

Typische Kerndurchmesser: 35 µm bis 1000 µm, typische Manteldurchmesser 100 µm bis 1200 µm.

Fasertyp 6 Multimode-Gradientenfasern mit reinem Si(30)O₂ in der Faserachse und zunehmendem Anteil von Si(28)O₂ mit wachsendem Radius. Zur Vergrößerung der Brechzahldifferenz kann im äußeren Kernbereich und im Mantel eine zusätzliche Fluordotierung eingesetzt werden.

Typische Kerndurchmesser: 50 µm bis 100 µm, typische Manteldurchmesser 125 µm bis 140 µm.

Bei der erfindungsgemäßen Lehre macht man von der Kenntnis Gebrauch, daß relativ große Brechzahldifferenzen zwischen den Dioxiden der drei Si-Isotope auftreten und die Brechzahldifferenzen die erforderlichen Werte für den Aufbau von Standard-Einmodenfasern und DS-Fasern aufweisen.

Bisher wurden Lichtwellenleiter entweder aus einem Kernmaterial aus natürlichem Quarzglas mit GeO₂-Dotierung und einem Mantel aus natürlichem SiO₂ oder aus einem Kern aus natürlichem, reinem Quarzglas und einem Mantel aus fluordotiertem natürlichem Quarzglas aufgebaut. Der zweite Fasertyp hat allerdings nur einen verschwindend kleinen Marktanteil, geschätzt wird unter 1%.

Im ersten Fall besteht das Kernmaterial aus 3 SiO₂-Sorten mit etwas unterschiedlicher Brechzahl und GeO₂ mit stark abweichender Brechzahl und Ionen eines wesentlich schwereren Elements. Ein solches Material weist im atomaren und molekularen Bereich und durch Konzentrationsschwankungen der 4 Komponenten wesentlich größere Inhomogenitäten auf als ein Material, das aus nur einem Si-Isotop und Sauerstoff aufgebaut ist. Folglich sind bei dem Quarzglas aus einem Si-Isotop wesentlich geringere Streuverluste und damit auch kleinere Rayleigh-Streukoeffizienten zu erwarten. Den Sauerstoff im Dioxid auch noch durch reine Isotope zu ersetzen, dürfte dagegen keinen merklichen Einfluß auf die Streuverluste des Dioxids haben, da nach "Physikalisches Taschenbuch", 5. Auflage, 1976, Viehweg Verlag Braunschweig, Herausgeber H. Ebert, S. 156, Sauerstoff zu 99,8% aus dem Isotop 0(16) besteht.

Zusätzlich kann man davon ausgehen, daß bei Fasern, die nur aus undotiertem Quarzglas aufgebaut sind, die Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten wesentlich geringer sind als bei Kern- beziehungsweise Mantelmaterialien, bei denen die Brechzahldiffe­ renz durch den Einsatz von Dotierstoffen (Ge, F) erreicht wird, deren atomare Eigenschaften sich erheblich von denen des Siliziums unterscheiden. Geringe Unterschiede in den Aus­ dehnungskoeffizienten führen, wie eingangs dargestellt, zu kleineren inneren Spannungen und damit zu verringerten Streuverlusten in den Fasern.

Bei Einmodenfasern wird ein Anteil der Lichtleistung auch im Fasermantel geführt. Aus diesem Grund und wegen der eben geschilderten Zusammenhänge ist zu erwarten, daß sich die Fasertypen 2 und 4 durch besonders geringe Dämpfung auszeichnen. Eigene Abschät­ zungen ergeben, daß mit den hier dargestellten neuen Fasertypen die Dämpfung gegenüber bisher üblichen Fasern um mindestens 20% abgesenkt werden kann. Das gilt für die Wellen­ längenbereiche, die auch heute für die optische Nachrichtentechnik genutzt werden. Das vereinfacht den praktischen Einsatz der neuen Fasertypen erheblich, weil die zu hoher technischer Reife entwickelten Bauelemente der heutigen optischen Nachrichtentechnik wie Sender, Detektoren, Koppler usw. verwendet werden können und keine Neuentwicklungen erforderlich sind.

Nach der erfindungsgemäßen Lehre werden die Lichtwellenleiter beziehungsweise der Faser­ kern aus einer neuen Materialklasse hergestellt, die auf Dioxiden von Isotopen des Siliziums basiert. Silizium besteht aus einem Gemisch von 3 stabilen Isotopen, nämlich 92,2% Si(28), 4,7% Si(29) und 3,1% Si(30) (s. "Physikalisches Taschenbuch", aaO, S. 157). Diese Isotope lassen sich mit Massenseparatoren trennen und in reiner Form darstellen. Gleichwenn eine entsprechende Isotopentrennung recht teuer ist, ist zu berücksichtigen, daß für einen Faserkern einer Standard-Einmodenfaser pro 1 km Länge nur weniger als 0,2 g Quarzglas benötigt wird.

Da Isotopenverbindungen chemisch identisch sind, ist anzunehmen, daß ihre physikalischen Eigenschaften sehr ähnlich sind. Das dürfte besonders für den thermischen Ausdehnungs­ koeffizienten und das Viskositätsverhalten von Gläsern aus den 3 Si-Isotopen gelten. Die Brechzahlen von Quarzgläsern aus reinen Si-Isotopen sind nicht bekannt. Den Verfassern ist es gelungen, durch ein neues Verfahren die Brechzahlen der Quarzgläser aus den drei Si- Isotopen zu bestimmen. Dabei zeigte sich, daß die Brechzahldifferenzen nicht wie erwartet vernachlässigbar klein sind, sondern so groß, daß ausschließlich aus Quarzgläsern aus Si- Isotopen ohne jegliche Dotierung Standard-Einmodenfasern und DS-Einmodenfasern sowie auch Multimodenfasern aufgebaut werden können.

G. Honcia hat in seiner Dissertation, Technische Universität Berlin, 1960, S. 22-25 ,gezeigt, daß für Dioxide von Elementen der Gruppe IV b des periodischen Systems ein Zusammen­ hang zwischen der Ordnungszahl und damit auch dem Atomgewicht mit der Brechzahl und der ultravioletten Absorptionskante besteht. Die in der Tabelle 1 angegebenen Brechzahlen n_D gelten für die amorphe Form der Dioxide und stammen, bis auf den Wert für SiO₂, für das ein neuerer Wert aus dem "Handbook of Chemistry and Phyiscs", 1988-89, 69^th Edition, entnommen wurde, aus der Dissertation von G. Honcia. Auch die Werte für die Lage der Ab­ sorptionskante λ_K der Dioxide, die über einen Absorptionskoeffizienten von 5.000 cm^-1 definiert ist, stammen aus der Dissertation von G. Honcia.

Es wurde festgestellt, daß ein linearer Zusammenhang zwischen der mittleren relativen atomaren Masse (MRAM) der Dioxide der Elemente aus der Gruppe IV b des periodischen Systems und deren Brechzahl besteht.

Tabelle 1

In Fig. 1 ist die Brechzahl n_D von amorphem Siliziumdioxid, Germaniumdioxid und Zinn­ dioxid als Funktion der MRAM dargestellt. Die drei Wertepaare liegen praktisch genau auf einer Geraden. Dieses Ergebnis läßt sich folgendermaßen interpretieren: Die Brechzahl wird durch die Wechselwirkung des elektromagnetischen Feldes des Lichts mit den Ionen der Verbindungen bestimmt. Die Sauerstoffionen sind für alle Dioxide gleich. Die Brechzahldif­ ferenzen entstehen daher durch die Unterschiede der MRAM der drei verschiedenen Elemente. Nach Fig. 1 ergibt sich, daß die Zunahme der Atommasse um eine Masseneinheit mit einer Brechzahlerhöhung von 0,006 verbunden ist. Zusammen mit der schon erwähnten Verteilung der stabilen Si-Isotope und der Brechzahl n_D,0 von Quarzglas mit natürlicher Si-Isotopenver­ teilung lassen sich die Brechzahlen der Dioxide der reinen Si-Isotope in einfacher Weise berechnen nach:

n_D,0 = 0,922 n_D,1 + 0,047 n_D,2 + 0,031 n_D,3

n_D,1 = n_D,0 - 0,047×0,0060 - 0,031×0,0120
n_D,2 = n_D,1 + 0,0060

n_D,3 = n_D,1 + 0,0120.

Daraus ergibt sich für:

Si(28): n_D,1 = 1,4581, Si (29): n_D,2 = 1,4641, Si (30): n_D,3 = 1,4701.

Damit betragen die relativen Brechzahldifferenzen der Dioxide aus den Isotopen Si(29) und Si(30) zum Quarzglas aus Silizium mit natürlichem Isotopengemisch:

(n_D,2 - n_D,0/n_D,0 = 0,36% und (n_D,3 - n_D,0)/_D,0 = 0,77%,

beziehungsweise die Brechzahldifferenzen zum Siliziumdioxid aus dem Isotop Si(28):

(n_D,2 - n_D,1/n_D,1 = 0,41% und (n_D,3 - n_D,1)/n_D,1 = 0,82%.

Das überraschende Ergebnis dieser Auswertung ist, daß erstens relativ große Brechzahldiffe­ renzen zwischen den Dioxiden aus den drei Si-Isotopen auftreten und daß zweitens die Brechzahldifferenzen gerade die erforderlichen Werte für den Aufbau von Standard-Ein­ modenfasern und DS-Fasern aufweisen. Nach der erfindungsgemäßen Idee lassen sich also nur aus Quarzgläsern der verschiedenen Si-Isotope ohne jegliche Dotierung zuvor beschriebene Fasertypen 1-6 aufbauen.

Auch zwischen der Lage der Bandkante λ_K, bei der mit abnehmender Wellenlänge λ die Absorption auf 5.000 cm^-1 ansteigt, existiert für die amorphen Dioxide von Silizium (Si), Germanium (Ge) und Zinn (Sn) ein Zusammenhang mit der mittleren relativen atomaren Masse MRAM dieser Elemente. Die entsprechenden Werte sind in Tab. 1 aufgeführt und in Fig. 2 dargestellt. Die Linearität des Zusammenhangs zwischen λ_K und MRAM ist nicht so eindeutig wie bei der Abhängigkeit zwischen der Brechzahl und der MRAM. Dabei muß jedoch berücksichtigt werden, daß eine genaue Bestimmung von λ_K problematisch ist, weil schon Spuren von Verunreinigungen oder geringfügige Abweichungen in der Stöchiometrie großen Einfluß auf die Lage der kurzwelligen Absorptionskante λ_K haben.

Nach Fig. 2 ergibt sich, daß sich die Absorptionskante von Dioxiden der Gruppe IVb des periodischen Systems bei der Zunahme um eine atomare Masseneinheit um 2,1 nm zu längeren Wellenlängen hin verschiebt. Für SiO₂ errechnet sich eine Verschiebung von λ_K um 0,23 nm zu kürzeren Wellenlängen hin, wenn man statt reinem Quarzglas aus Silizium mit natürlichem Isotopengemisch isotopenreines Quarzglas aus Si(28) als Kernmaterial verwendet. In diesem Fall müßte das Mantelglas mit Fluor dotiert werden.

Ein wesentlich größerer Einfluß auf die Lage der Bandkante dürfte jedoch durch die schon diskutierte Verringerung der inneren Spannungen in den Fasertpyen 1 bis 6 im Vergleich zu bisher üblichen Fasern entstehen. Innere Spannungen im Quarzglas führen zu Verschiebun­ gen in der Struktur des amorphen Materials und dadurch zu einer "Verschmierung" der Kanten der Energiebänder und zur Bildung zusätzlicher Störstellen, die sich in einer Verschiebung der Absorptionskante zu längeren Wellenlängen hin auswirkt. Man kann davon ausgehen, daß bei Lichtwellenleitern mit geringeren inneren Spannungen die UV- Absorptionskante um einige nm zu kürzeren Wellenlängen hin verschoben ist. Das kann für die Übertragung hoher UV-Lichtleistungen mittels Lichtwellenleiter, wie zum Beispiel in der Medizintechnik oder der Materialbearbeitung erforderlich, von großer praktischer Bedeutung sein.

Ferner zeichnet sich die Erfindung durch einen Lichtwellenleiter aus, der aus Fasern auf Quarzglasbasis mit einem Kern sowie einem diesen umgebenden Mantel mit unterschiedlichen Silizium-Atommassen besteht und dadurch gekennzeichnet ist, daß der Kern aus Si(28)O₂ besteht und der Mantel aus einem reinen Dioxid oder einem Dioxidgemisch mit einer Silizium-Atommasse besteht, die kleiner als die des Dioxids des Kerns ist und mit Fluor dotiert ist.

Bei den zuvor wiedergegebenen Betrachtungen ist im Wesentlichen auf zylindrische bzw. rotation symmetrische Lichtwellenleiter eingegangen worden. Die erfindungsgemäße Lehre ist jedoch auch für optische Komponenten aus massivem Quarzglas wie z. B. Fenster, Linsen, aber auch auf Komponenten für integrierte optische Schaltungen übertragbar. Bei massiven Quarzglaskomponenten liegt der wesentliche Vorteil von Isotopenmaterial gegenüber bisher üblichem Quarzglas in der verbesserten Homogenität, wenn die Verunreinigungen auf die technologisch erreichbare Grenze reduziert sind.

Die unterschiedlichen Brechzahlen der Oxide aus den drei Si-Isotopen und des Oxids des natürlichen Isotopengemisches ermöglichen den Aufbau integriert optischer Strukturen wie planarer Wellenleiter und Streifenwellenleiter (s. Hultzsch, aaO, S. 221-223), wobei auch bei diesen Strukturen besonders geringe Verluste im Vergleich zu herkömmlichen integriert optischen Bauelementen zu erwarten sind. Spezielle Ausführungsformen der Streifenwellenleiter sind u. a. Y-Verzweiger, optische Frequenzfilter und Richtkoppler, Wellenleiter-Interferenzfilter und Vielkanal Wellenleiter-Multiplexer und -Demultiplexer (s. Hultzsch, aaO, S. 225-231).

Neben den verringerten Verlusten haben Lichtwellenleiter und integrierte optische Bauelemente aus Quarzglas aus Silizium mit unterschiedlicher Atommasse ohne GeO₂- Dotierung außerdem den Vorteil erhöhter chemischer Stabilität. Während SiO₂ praktisch wasserunlöslich ist, beträgt die Wasserlöslichkeit von reinem GeO₂ 0,45 g pro 100 cm³ H₂O (Honcia, aaO, S. 22). Daraus ergibt sich auch für GeO₂-dotiertes Quarzglas eine gewisse Wasserlöslichkeit, die für Steckerendflächen von Einmodenfasern mit GeO₂-dotiertem Kernmaterial experimentell nachgewiesen wurde (s. L. A. Reith, Conference Digest, OFMC 97, York/England, S. 262) und die auch für Streifenwellenleiter von integrierten optischen Bauelementen zu einer Verringerung der Langzeitstabilität führen könnte.

Ein optisches Übertragungselement in Form eines planaren oder Streifenwellenleiters mit typischen Ausführungsformen als Y-Verzweiger, optische Frequenzfilter, Richtkoppler, Interferenzfilter und Wellenlängen-Multiplexer bzw. -Demultiplexer wird dabei dadurch gekennzeichnet, daß Bereiche unterschiedlicher Brechzahlen aus Quarzgläsern verschiedener Si-Isotope oder Isotopengemische hergestellt werden.

Insbesondere besteht das optische Übertragungselement aus einer Komponente aus massivem Quarzglas, wobei die Komponente aus einem Material aus nur einem Si-Isotop hergestellt wird.

Auch besteht die Möglichkeit, die Komponente aus einem Material mit ortsabhängigem, vom natürlichen Isotopengemisch abweichenden Isotopenverhältnis herzustellen.

Bevorzugterweise weist die Komponente eine zylindrische Form und ein parabolisches Brechzahlprofil in radialer Richtung auf.

Dabei kann die Länge des zylindrischen Teils derart ausgebildet sein, daß paralleles Licht auf der Frontfläche auf die entgegengesetzte Endfläche fokussiert wird. Alternativ ist die Länge des zylindrischen Teils derart ausgebildet, daß auf die Frontfläche fokussiertes Licht auf die entgegengesetzte Endfläche fokussiert wird.

Claims (22)

1. Optisches Übertragungselement, wie Lichtwellenleiter, optische Komponente oder integrierte optische Schaltung, auf Quarzglasbasis mit zumindest zwei Quarzglasbereichen unterschiedlicher Silizium-Atommassen, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Quarzglasbereich aus reinem oder im Wesentlichen reinen Dioxid eines der stabilen Isotopen Si(29) oder Si(30) und der zumindest zweite Quarzglasbereich aus einem reinen Dioxid einer Silizium-Atommasse oder einem Dioxidgemisch mit einer Silizium-Atommasse besteht, die kleiner als die des Dioxids des ersten Quarzglasbereichs ist.

2. Optisches Übertragungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Bereich aus Si(29)O₂ und der zweite Bereich aus Quarzglas mit natürlichem Si-Isotopengemisch besteht.

3. Optisches Übertragungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Bereich aus Si(29)O₂ und der zweite Bereich aus Si(28)O₂ besteht.

4. Optisches Übertragungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Bereich aus Si(30)O₂ und der zweite Bereich aus Quarzglas mit natürlichem Si-Isotopengemisch besteht.

5. Optisches Übertragungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Bereich aus Si(30)O₂ und der zweite Bereich aus Si(28)O₂ besteht.

6. Optisches Übertragungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Bereich aus Si(30)O₂ und der zweite Bereich ein Gemisch aus Si(30)O₂ und Si(28)O₂ ist, wobei mit zunehmendem räumliche Abstand zu dem ersten Bereich der Anteil von Si(28)O₂ zunimmt.

7. Lichtwellenleiter, bestehend aus Fasern auf Quarzglasbasis mit einem Kern sowie einem diesen umgebenden Mantel mit unterschiedlichen Silizium-Atommassen, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus reinem oder im Wesentlichen reinem Dioxid eines der stabilen Isotope Si(29)O₂ oder Si(30)O₂ und der Mantel aus einem reinen Dioxid einer Silizium-Atommasse oder einem Dioxidgemisch mit Silizium-Atommassen besteht, die kleiner als die des Dioxids des Kerns ist.

8. Lichtwellenleiter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern Standard-Einmodenfasern mit einem Kern aus Si(29)O₂ und einem Mantel aus Quarzglas mit natürlichem Si-Isotopengemisch sind.

9. Lichtwellenleiter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern Standard-Einmodenfasern mit Si(29)O₂ als Kernmaterial und Si(28)O₂ als Mantelmaterial sind.

10. Lichtwellenleiter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern dispersionsverschobene Einmodenfasern mit einem Kern aus Si(30)O₂ und einem Mantel aus üblichem Quarzglas sind.

11. Lichtwellenleiter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern dispersionsverschobene Einmodenfasern mit Si(30)O₂ als Kernmaterial und Si(28)O₂ als Mantelmaterial sind.

12. Lichtwellenleiter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern Multimode-Stufenindexfasern mit einem Kern aus Si(29)O₂ oder Si(30)O₂ und einem Mantel aus üblichem Quarzglas oder Si(28)O₂ sind.

13. Lichtwellenleiter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelmaterial mit Fluor dotiert ist.

14. Lichtwellenleiter, bestehend aus Fasern auf Quarzglasbasis mit einem Kern sowie einem diesen umgebenden Mantel, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus Si(28)O₂ und der Mantel aus mit Fluor dotiertem Quarzglas besteht.

15. Lichtwellenleiter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern Multimode-Gradientenfasern mit reinem Si(30)O₂ in der Faserachse sind und daß mit zunehmendem Abstand von der Faserachse ein wachsender Anteil von Si(28)O₂ gegeben ist.

16. Lichtwellenleiter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der mit zunehmenden Abstand zur Faserachse vorhandene Si(28)O₂-Anteil sowohl im äußeren Kernbereich der Faser als auch im Mantel mit Fluor dotiert ist.

17. Optisches Übertragungselement in Form eines planaren oder Streifenwellenleiters mit typischen Ausführungsformen als Y-Verzweiger, optische Frequenzfilter, Richtkoppler, Interferenzfilter und Wellenlängen-Multiplexer bzw. Demultiplexer, nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Bereiche unterschiedlicher Brechzahlen aus Quarzgläsern verschiedener Si- Isotope oder Isotopengemische hergestellt werden.

18. Optisches Übertragungselement in Form einer Komponente aus massivem Quarzglas, nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente aus einem Material aus nur einem Si-Isotop hergestellt wird.

19. Optisches Übertragungselement in Form einer Komponente aus massivem Quarzglas, nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente aus einem Material mit ortsabhängigem, vom natürlichen Isotopengemisch abweichenden Isotopenverhältnis besteht.

20. Optisches Übertragungselement nach zumindest Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente eine zylindrische Form und ein parabolisches Brechzahlprofil in radialer Richtung aufweist.

21. Optisches Übertragungselement nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des zylindrischen Teils so bemessen wird, daß parallel es Licht auf der Frontfläche auf die entgegengesetzte Endfläche fokussiert wird.

22. Optisches Übertragungselement nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des zylindrischen Teils so bemessen wird, daß auf die Frontfläche fokussiertes Licht auf die entgegengesetzte Endfläche fokussiert wird.