JP4001930B2 - 導波路のための人工同位体分布を有するガラス - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に沿った導波路または類似品のためのガラスに関する。
導波路は基本的には既知であり、通信網の伝送導体として広い範囲で使用される。医療面でも、センサ技術に関して利用され、材料加工用の高度な光の性能を伝送するための導波管の利用も増えている。情報伝送のためには、主に直径約１０μｍのコアと、それより屈折率が小さく、直径１２５μｍのクラッドを持つ石英ガラスで作られる単一モードファイバが使われる。既知の導波路は石英グラスで作られ、伝送能力が大きく、減衰が少ないことが特長である。波長１．５７μｍの場合の最少減衰は約０．２０ｄＢ／ｋｍとなる。１９８６年、日本の住友が、田中他の著作物「純粋シリコンコアの単一モード光ファイバの特性」住友電気技術論文集、２６（１９８７）４３において、０．１５ｄＢ／ｋｍという最良値を発表した。
日本の特許抄録ＪＰ−Ａ−６００９０８４５には、多孔性のＳｉＯ₂（石英ガラス）、およびＧｅＯ₂でドーピングされた石英ガラスでガラスを作る場合の、ヘリウムと重水素によるガラス洗浄装置について記述されている。ヘリウムはこのプロセスの場合、石英ガラスの構造的欠陥を低減し、その後、完全にリークする。重水素は水素同位体であり、材料から水素原子を押し出すので、前形態では、ＯＨ群の代わりＯＤ群を形成する。石英ガラスに濃度０．０００１％以下の汚染物質として存在することのあるＯＨ群は、赤外線波長領域での吸収帯域の原因になる。水素を重水素で代替すると吸収帯域は長い波長の方に移る。それによって、たとえば、光学的情報伝達にとって重要な領域およびＯＨ吸収による追加損失を示す領域では、追加吸収がなくなる。こうした技術は高価であり、実際には採用されていない。ファイバー製造者が石英ガラスのＯＨ凝縮を、ＯＨ吸収が実際には何の役割も果たさない程度に減少させるからである。
そのほかにデータベースの「化学抄録；受け入れ番号８１：４４００２」で、²⁹Ｓｉをドーピングした石英ガラスが基本的には周知である。
波長１μｍの上部の単一モードファイバの減衰αは、３つの構成要素で合成される。分散α_s、ＯＨ吸収α_OHおよび赤外線吸収α_IRである。ＯＨ吸収はＯＨイオンのわずかな凝縮物を石英グラスに入れることが前提である。それは波長に強く依存しており、約１．４μｍの場合、吸収帯のスペクトル減衰曲線に表れる。光通信技術にとって重要な光波領域１．５〜１．７μｍの間の減衰は、実際には分散損失と赤外線吸収によってのみ決まる。分散損失は本質的にはRayleigh分散が前提であり、波長λが１／λ⁴で延びるにつれて小さくなる。赤外線吸収は約１．５μｍで始まり、波長が長くなるにつれ急激に増える。減衰最小値は１．５７μｍの場合であるが、それは、そこでの分散損失の減少と赤外線吸収の増加が同じ大きさであるためである。
図１は、そうした実情を１．１〜１．７μｍの間の波長について、単一モードファイバのスペクトル減衰曲線によって示す。１．４μｍでのＯＨ吸収帯がはっきりわかる。１．５７μｍでの最小値のとき、このファイバは０．１７ｄＢ／ｋｍの減衰を示す。ＯＨ吸収・赤外線吸収のない分散損失は点線で示してある。１．５μｍの上部の波長では、ＯＨ吸収は実際には何の意味もない。約１．６μｍから赤外線吸収が増える。Ｍ．Ｅ．Ｌｉｎｅｓ他の出版物「１．５〜１．９μｍで可能な超低損失光学材料としてのアルミン酸カルシウム・ガラス」非結晶体ジャーナル１０７（１９８９）２５１からわかるように、赤外線吸収は以下の公式α_IR＝Ａ・ｅ^-a/λで計算される。但し、石英グラスＡ＝６・１０¹¹ｄＢ／ｋｍであり、ａ＝４８μｍである。式から１．５５μｍ〜１．７μｍでは０．０２ｄＢ／ｋｍ〜０．３３ｄＢ／ｋｍの赤外線吸収が計算される。ガラスの赤外線吸収は、Ｓ．小林他の出版物「赤外線波長領域の光ファイバの特性」電気通信研究２６、３−４（１９７８）４５３からわかるように、非常に強い振動帯の張りだし（フォノン）によって長波の赤外線領域で引き起こされる。純粋な石英ガラスの優勢な吸収帯は９．１μｍのときに見られ、最大で１０¹⁰ｄＢ／ｋｍの減衰になる。吸収帯のスペクトル状態と幅は関係する原子の質量、つまり石英ガラスの場合はシリコンと酸素の質量で決まる。その物理的基礎についてはＴ．Ｒｕｆ他の出版物「バネと質量について：同位体純粋半導体の物理学」物理学論文集５２，１１（１９９６）１１１５に詳しく説明されている。これまで導波路製造のために使われていた純粋な石英ガラスとドーピングされた石英ガラスには、関連する元素の天然の同位体混合物を使う。つまり純粋の石英ガラスにはシリコンと酸素である。ドーピング材料には主にゲルマニウムとフッ素が使われる。
本発明の基礎的課題は、赤外線吸収が少ないガラスを作成することであり、そのガラスは、特に、明らかに低減された最少減衰係数を持つ導波路に適しており、効率的な製造に適している。
本発明の解決は請求項１および請求項２の特徴部分に記載されている。
本発明のその他の成形ないし解決については請求項３−請求項１０の特徴部分で明らかになる。
天然の同位体分布の質量数よりも大きい質量数を持つ原子で構成されるガラスであるために、質量数（原子質量）が増えると吸収帯は長い波長の方へ移動し、その線の幅は狭くなる。こうした２つの作用により、赤外線吸収の始まりが、長い波長の方へ移り、それにより、そのような組成のガラスで作られる導波路または類似品の、本質的にさらに幅広い応用スペクトルがもたらされる。導波路のコストは、特に高価な海底ケーブル製造の場合では、全体費用のわずかな部分を占めるに過ぎない。本発明の導波路はわずかな減衰を示すためにリピーターないし増幅器を節約できるか、または完全に省略できるようになり、それによって多くの場合、海底ケーブルまたは国内の遠距離ケーブル建設の場合、ファイバのコストは高くなるが、それでも高い伝送品質であれば、全体的に著しいコスト節約になる。
本発明を実施例を用いて以下に詳しく説明する。
図１は、１．１〜１．７μｍの間の波長の、単一モードファイバのスペクトル減衰曲線が示すが、これについてはすでに述べた。
まず始めに表を示すが、ここには、「物理学ハンドブック５版」１９７６、ビューベク出版、ブラウンシュバイク、編集者Ｈ．エーベルトのデータに従ってシリコンと酸素の安定した同位体をまとめている。

これまで生産されていた導波管用の石英ガラスでは、天然の同位体混合物が使用されていた。純粋な石英ガラスについては、表に従って、実質的に²⁸Ｓｉ，¹⁶Ｏで構成される同位体混合物が使われる。本発明の基礎になる原則的な考え方は、天然の同位体混合物ないし軽い同位体は、すべて、または部分的に重い同位体で代替できる、つまりＳｉＯ₂は³⁰Ｓｉと¹⁶Ｏ、または³⁰Ｓｉと¹⁸Ｏ、または²⁸Ｓｉと¹⁸Ｏで製造できるという考え方である。増えた質量数の合計（原子質量）は、吸収帯を長い波長の方へずらせ、線幅を細くするように作用する。この２つの作用により、赤外線吸収の始まりを長い方の波長の方へ移動できる。吸収帯のスペクトル状態の移動は、Ｔ．Ｒｕｆ他の「バネと質量について、「同位体純粋半導体」、物理学論文集５２，１１（１９９６）１１１５」に従って１／√Ｍ（Ｍは質量数）に比例し、吸収帯の幅は１／Ｍに比例する。²⁸Ｓｉが³⁰Ｓｉで代替されるなら９．１μｍでの帯については９．２５μｍに沿った移動になり、これは０．１５μｍの差異に対応する。吸収帯の幅の減少は基本的には短波スペクトル領域、つまり最少減衰値での赤外線吸収の始まりに二重の効果を持つので、³⁰Ｓｉと¹⁶Ｏで作られている導波路にとっては、１．５μｍではなく１．９５μｍの場合にはじめて著しい赤外線吸収が始まる。それによって最少減衰値は１．９５μｍの方へ移動する。石英導波路での分散損失についての、これまでに実現された数値によって、０．１ｄＢ／ｋｍ以下の減衰係数が得られる。
³⁰Ｓｉ¹⁸Ｏで石英ガラスを作るなら、赤外線吸収の始まりは約１．３５μｍ移動し、つまり最少減衰値は２．８５μｍの方へ移動し、それによって０．０５ｄＢ／ｋｍ以下の減衰係数が得られる。
減衰係数が０．１ないし０．０５ｄＢ／ｋｍの導波路は、特に海底ケーブルにとって新しい可能性を開く。これまで、海底ケーブルには所定の間隔でリピーターまたは光学的増幅器を取りつけなければならなかった。これには、エネルギー供給のために電気的遠隔給電が必要であり、そのためにコストが高くなった。沿岸部については、リピータないし増幅器が不要の、ファイバ減衰が０．２ｄＢ／ｋｍの場合は最大５００ｋｍに敷設できるケーブルが開発された。０．１ｄＢ／ｋｍ以下の導波路が本発明のガラスの利用により使用できるならば、そうした海底ケーブルで、さらに大陸全体をも増幅器ないしリピータなしで結合できるようになる。
純粋同位体または、天然の分布とは異なる同位体混合物のガラスの製造コストは高いが、提案されている解決策を実際に利用すれば、以下の理由からコストの持つ意味はそれほど重要ではなくなる。
導波路ないしその予備的形成品は、いわゆる「透きかけ」によって製造可能であり、その方法は現在すでに実際に使われている。その際、内部の予備的形成品、つまりコアとコアに近い部分が通常の方法で製造される。この内部の予備的形成品に、純粋の石英ガラス製の厚壁の管（透きかけ管）が溶融され、その製造コストは同量であれば、実質的に、内部の予備的形成品のためのコストよりも低くなる。
内部の予備的形成品の材料の割合は、その予備的形成品から作られるファイバでの減衰を増大させずに、全体量の約５％まで下げることができる。そのことから、ファイバ材料の５％だけを、変えられた同位体合成のガラスで製造しなければならなくなる。これは質量が２グラム以下の単一モードファイバ１キロメータに対応する。
費用のかかる海底ケーブルの場合、導波路のコストは全体コストのほんの一部である。導波路の減衰が少なくなることによってリピーターと増幅器が節約されるか、または完全に省略できるなら、長い海底ケーブル区間での使用、または内陸での遠距離ケーブルの場合にも、ファイバコストは高くなるがそれでも全体としては伝送品質が高くなり、修理頻度が少なくなるなら、実質的にコストは低くなる。
重い同位体で、ドーピング材料の天然の同位体配分を代替すれば、赤外線吸収のわずかな変化が期待できる。フッ素の場合は安定した同位体だけである。すべてのゲルマニウム同位体の質量数はシリコンと酸素の質量数よりかなり多い。そのほかに、通信技術で、もっともよく使用される標準単一モードファイバでは、コア材料は約５％のＧｅＯ₂がドーピングされる。ドーピングを増やせば、たとえば、分散移動される単一モードファイバでは、天然のＧｅ同位体混合物がドーピングされているガラスに比べると、⁷⁶Ｇｅを使用することにより、赤外線吸収の移動は少なくなる。
すでに言及したように、通信技術での利用は、長波のスペクトル領域に赤外線吸収が移動するような、重い同位体で作られる石英ガラスファイバにとって唯一の利用分野ではないが、重要な利用分野であり、たとえば、赤外線レーザによって工業的、医学的に利用される。
光吸収は、たとえば、組織や血液ではＵＶ領域では、プロテイン吸収と水吸収によって引き起こされ、赤外線領域でも水吸収によって特に強く引き起こされる。ＵＶレーザ光のための浸入深さは、ＣＯ₂レーザ（１０．６μｍ）の光についても、Ｅｒ：ＹＡＧ（２．９４μｍの場合）、Ｅｒ：ＹＳＧＧ（２．７９μｍの場合）の光についても１〜２０μｍの範囲にある。吸収されたエネルギーがその他の形に変容するような短い区間を基礎にするなら、特にＥｒレーザは、非常に性能の高い、貫通展開される放射源として、医療面で大きな関心がもたれている。医療面では約２メートルの導波路が必要であり、その全体伝送は実質的に５０％以下であってはならない。つまり望ましい減衰は最大で３ｄＢである。
さまざまな材料で作る導波路、たとえば、チャロゲナイド、ハロゲナイド、サファイア、空洞導管、液体光導管で作る導波路のどれも石英ガラスファイバの品質には達しないことも既知である。しかし、標準石英ガラスの大きな欠点は、Ｅｒレーザ波長の際の減衰が高いので、これまでは非常に短いファイバ部分での利用に限定されていたことである。
２．９４μｍの場合の石英ガラスファイバは１２ｄＢ／ｍの減衰率を持つ。つまり、長さ２メートルのファイバの端部では、結合された光能力の１％以下が出てしまうことが明らかになった。それに対して³⁰Ｓｉ¹⁶Ｏ₂製の石英ガラスが使用されるなら、対数で示される減衰が吸収最小値と最大値の間の真中にあるような領域で、吸収エッジは約０．３μｍだけ移動する。これによって２．９４μｍでの赤外線吸収が約１．８ｄＢ／ｍに減少する。この数値は実質的には先に記述した最少の減衰基準よりも高いが、しかし、この波長領域では十分である。長さ２ｍのグラスファイバの端部では、結合された放射出力の約４０％が出ていく。こうした透過値は上述の基準では約５０％になる。一方では、その他の石英ガラスと石英ガラスファイバの有利な特性は変わらない。それによって新しい石英ガラスファイバ伝送システムが医療技術では２．９４μｍで実現可能になり、しかもコスト面で好都合なＥｒレーザと接続される。
そのほかに、伝送される出力密度ないし出力は、吸収が少ないために実質的に増大し、しかも、これまで既知のファイバであれば著しい加熱と破裂をもたらすような数値にまで増大することが可能となる。それによって工業、特に材料加工における新しい応用分野が開かれる。
こうした応用の場合も、（重い）二酸化シリコン（³⁰Ｓｉ¹⁶Ｏ₂）の使用はわずかである。ファイバが実質的に、より厚くなるが、それでも典型的なコア直径が２００〜６００μｍ、典型的なクラッド・コア比率が１．１〜１．４になり、ファイバ長さは約２ｍになり、実質的に、より短くなるためにグラム単位の同位体材料だけが必要となる。コア直径２００μｍとクラッド直径２４０μｍの１本のファイバの重さは約０．２グラムにすぎない。

Claims (10)

1. 石英ガラス製の導波路において、ガラス材料が、純粋な又はドーピングされた石英ガラスを含み、前記純粋な又はドーピングされた石英ガラスは、天然の同位体分布の質量数より大きい質量数を持つ原子で構成されていることを特徴とする石英ガラス製導波路。
2. 石英ガラスないしドーピングされたガラス中に存在するシリコン原子が、主に、または完全に、質量数２９および／または３０を持つことを特徴とする請求項１に記載の導波路。
3. 石英ガラス中に存在する酸素原子が、主に、または完全に質量１７および／または１８の同位体で構成されることを特徴とする請求項１または請求項２の何れか１項に記載の導波路。
4. 石英ガラス中に存在するシリコン原子が、主に、または完全に質量数２９および／または３０を持っており、石英ガラス中に存在する酸素原子は主に、または完全に質量数１７および／または１８を持つことを特徴とする請求項１に記載の導波路。
5. 石英ガラスが主に同位体⁷⁶Ｇｅの原子でドーピングされていることを特徴とする請求項１−請求項４の何れか１項に記載のドーピングされた石英ガラス製導波路。
6. 前記ガラスが天然の同位体分布で規定されるよりも大きい質量数の原子で構成されており、それが、特に、減衰が０．１５ｄＢ／ｋｍ以下の同位体³⁰Ｓｉおよび／または¹⁸Ｏおよび／または⁷⁶Ｇｅで実現されていることを特徴とする請求項１に記載の石英ガラス製導波路。
7. 接続面での出力密度を減少させるために、接続領域におけるファイバ直径は円錐状の輪郭になることを特徴とする請求項１−請求項６の何れか１項に記載の導波路。
8. ２．０μｍから３．０μｍの波長領域にある、高エネルギーのレーザ光、パルス状のレーザ光、または持続的なレーザ光を伝送し、
   約２．７９μｍおよび２．９４μｍの波長を含むエルビウムレーザ光を伝送することを特徴とする請求項１から請求項７の何れかに記載の導波路。
9. 海底ケーブル、遠距離回線、短距離の導波路、医療技術及び材料加工のうちの少なくとも１つにおいて利用されることを特徴とする請求項１から請求項８の何れかに記載の導波路。
10. 前記導波路が赤外線放射を用いたエネルギー伝送に適合するよう、前記導波路はドーピングされた石英ガラスを含み、前記ドーピングされた石英ガラスは、通常の同位体分布とは異なる同位体分布を有することを特徴とする請求項１から請求項９の何れかに記載の導波路。

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