KR101592173B1 - 동위원소가 변경된 광섬유 - Google Patents

Abstract

고순도 유리로 형성된 클래딩 층 또는 고순도 동위원소 비율 변경 유리로 형성된 클래딩 층을 가지고 있고, 고순도 동위원소 비율 변경 유리로 된 코어를 가지고 있는 광 도파로로서, 코어 유리의 굴절률이 클래딩 유리의 굴절률보다 더 크고, 상기 고순도 동위원소 비율이 변경된 코어 물질은 상기 코어의 모든 실리콘 원자의 최대 4.447% Si-29(원자/원자) 또는 상기 코어의 적어도 4.90%의 Si-29(원자/원자) 원자의 Si-29 동위원소 비율을 나타내거나, 또는 상기 코어의 모든 게르마늄 원자의 최대 7.2% Ge-73 (원자/원자) 또는 상기 코어 영역의 게르마늄 원자의 적어도 8.18%의 Ge-73 (원자/원자)의 Ge-73 동위원소 비율을 나타내는 광 도파로.

Description

동위원소가 변경된 광섬유{Isotopically altered optical fiber}

본 발명은 일반적으로 동위원소가 변경된 광섬유에 관한 것으로, 구체적으로는 Si-29 동위원소 원자가 결핍되거나 농축된 실리카 섬유, 또는 Ge-73 동위원소 원자가 결핍되거나 농축된 실리카 섬유에 관한 것이다.

수백 킬로미터의 실리카 계열 광섬유를 포함하는 광 네트워크 및 광 회선의 설계 및 구축에 있어서, 광 손실은 제한 인자이다. 실리카 섬유의 광 손실은 주로 (1) 1/λ⁴(여기서 λ는 파장임)의 함수로 감소하며, 더 짧은 파장에 대해 우세한 레일리(Rayleigh) 산란; 및 (2) 더 긴 파장에 대해 우세한, 실리카에 의한 적외선 흡수의 두 가지 요인에 의해 발생한다. 전형적인 게르마니아(GeO₂)가 도핑된 실리카 코어의 섬유는 1510nm 내지 1610nm에서 0.189db/km 내지 0.200db/km의 손실을 나타낸다.

이전에 섬유 영역을 동위원소 변경함으로써 더 낮은 투과율 손실을 나타내는 광섬유를 개발하고자 하는 시도가 있었다. 미국 특허 6,810,197호 및 6,870,999호 참조. 손실은 약 0.145 내지 0.155db/km로 제한적으로 개선되었고, 이는 주로 최소 광 손실의 파장을 약 1670nm로 이동시킴으로써, 그리고 부분적으로는 게르마니아로부터 산소-17로 도펀트의 굴절률을 변경시켜 달성되었는데, 발명자들은 그들이 산소-17을 이용하여 손실을 감소시킨 이유를 알지 못했을 수 있다.

광섬유 과학자와 엔지니어들은 Si-29 동위원소가 1.0000으로부터의 거의 모든 실리카의 굴절률 변화의 근원이며, 자연적인 동위원소 비율의 산소-17이 정상적인 (자연적인) 수준에서 경미한 증가를 가져온다는 점을 인식하지 못했다. 마찬가지로, 그러한 과학자와 엔지니어들은 Ge-73 동위원소(보통 이용되는 도펀트)가 자연적인 동위원소 비율에 있어서 용융 실리카의 굴절률을 1.46에서 약 1.47로 증가시킴을 인식하지 못했다. 기존 기술의 광 도파로에 존재하는 대다수 레일리 산란의 원인이 바로 Si-29 도펀트라는 점도 인식되지 않았다. 그들은 Si-29가 실리콘의 자연 발생적인 안정적 동위원소이므로, 도펀트로서 Si-29를 하지 않는다.

따라서, 실리카 내의 Si-29 동위원소 비율의 감소, 예를 들어, 100배(자연의 4.67% 원자/원자에서 0.0467% 원자/원자)의 감소는 1.005의 굴절률을 나타내는 재료로 이어질 것이고, 33배로 감소 시, 1.015의 굴절률을 나타내는 재료로 이어질 것이다. 1.015-1.005 = 0.010의 굴절률 차이를 나타내는 이러한 두 재료는 충분히 각각 새로운 섬유의 클래딩과 코어가 될 수 있는 정확한 범위 내에 있다.

마찬가지로, 미국 특허 6,490,399호는 실리콘-30으로 실리콘-28 동위원소를 대체하는 것을 기술하고 있는데, 이는 고유한 IR 흡수선 그래프를 오른쪽으로 이동시키는 비슷한 효과를 나타낸다. 이는 새로운 이용 가능한 전송 영역을 개방하는 결과를 가져온다. Si-28을 Si-30으로, O-16을 O-18로 대체한, 약 1610으로부터 약 1710나노미터 파장에 걸친 "B"로 표지된 영역을 나타내는 도 2 참조.

미국 특허 6,810,197호는 "발명의 내용(1번 칼럼, 58번째 줄에서 3번 칼럼, 14번째 줄까지)"에서, 가능한 증폭기 상호간 간격이 125킬로미터에서 156킬로미터로 증가 시, 대서양 횡단 회선에 필요한 증폭 역(amplification station)의 수가 11개 유닛만큼 감소함을 기술하고 있다. 그러나, 이러한 이점은 실제로는 거의 환상에 지나지 않게 마련이다. 또한, 1610부터 1710까지 전송하는 임의의 실제적인 회선은 1510~1610 대역을 이용하도록 설계될 것이며, 동위원소 교체는 1510~1610nm 대역 대부분에서는 인지할 수 있을 만큼 섬유의 전송을 돕지는 않을 것이다. 1610~1710 대역을 증폭시키는 동일한 증폭기 역 또한 1510~1610 대역도 증폭시키는 증폭기 역일 것이므로, 1510~1610 대역에서의 적절한 작동은 현재 요구되는 바와 같이 동일한 125킬로미터의 증폭기 상호간 간격 유지를 필요로 할 것이다. 따라서, 유일하게 이용할 수 있는 개선점은 신호가 보내질 수 있는 이용 가능한 대역폭의 확대일 것이다. 다시 말하자면, Si-28의 Si-30으로의 대체와 O-16의 O-18로의 대체는 실제로는 도파로 손실 감소 때문에 어떠한 절감도 할 수 없게 하며, 심지어 확대된 대역(1610~1710 영역 포함)은 파장 분할 다중 방식(WDM) 신호가 이미 1510~1610 대역폭 전부를 차지하는 회선에서만 유용할 가능성이 높다.

마찬가지로, 특허 6,490,399호에서 참조한 일본 특허 JP-A-60090845의 요약서는 다공성 SiO₂ 모재의 중수소 린스를 이용하여 기존의 -OH 기를 -OD 기로 교체함으로써, 흡수대(1400nm 포함)를 훨씬 긴 파장, 1710nm보다 더 긴 파장으로 이동시키는 방법을 기술하고 있다. 그러나, 그러한 기술은 부분적으로는 섬유 제조업체가 이미 -OH 함량을 잘 감소시켰기 때문에, 부분적으로는 특허 3,933,454호, 7번 칼럼, 첫째 줄 내지 여덟째 줄, 68번째 줄에 기술된 Cl₂ 처리의 지속적인 개선에 의해, "비싸다" 는 평을 듣는다.

그러나, 이는 그저, -OH 흡수 스펙트럼, 특히 1400nm에서의 -OH 흡수 스펙트럼(도 2 참조)이 "레일리 산란" 최소 선(도 3 참조)과 비교하여 충분히 낮아서, 이점 없이 외견상으로 추가적인 개선을 할 수 있음을 의미한다. 본 발명은, (부분적으로는) Si-29 농도를 50~100배 이상까지, 다량으로 감소시킴으로써 "레일리 산란" 최소 높이를 대규모로 관련된 양만큼 감소시키는 효과를 나타내며, 이는 JP-A-60090845에 기술된 바와 같이, 중수소(D₂) 린스의 추가적인 효용성을 가능하게 할 것이다.

따라서, Si-29를 감소시키는 본 발명의 구현예는 중수소(D₂) 린스뿐만 아니라, Si-28의 Si-30으로의 대체, 또는 O-16의 O-18로의 대체, 또는 둘 다로부터 추가적으로 기대치 않은 장점을 나타낼 가능성이 있다. 이러한 변경을 전체적으로 구현 시, 약 0.01db/km 이하의 손실로 적어도 1230nm 내지 약 2000nm의 전송 대역폭을 나타내는 광 도파로가 얻어질 수 있으며, 따라서 증폭기 역 없이, 또는 최대 하나의 증폭기 역으로 대서양 횡단 전송을 달성할 수 있다.

이러한 시도는 이들 그래프 상에서 "IR 흡수" 를 나타내는 선(도 4 및 도 5 참조)을 오른쪽으로 이동시켰다. 이는 "IR 흡수", "레일리 [산란]" 및 "UV" 의 합이 약간 낮아지면서 발생된 최소 흡수를 감소시키는 효과와 함께, 그에 따른 전송 대역폭이 다소 확대되는 효과를 나타냈다.

그러나, 본 발명은 "IR 흡수" 선뿐만 아니라, 사실은 "레일리 산란" 선도 공격한다. 도 10, "레일리 산란" 으로 표지된 긴 교차 평행선(long-hatched line) 참조.

Si-29 산란 중심 양의 "X" 배 감소는 "X" 및 "X" 의 제곱근 범위 내의 배수로 "레일리 산란" 선의 높이를 감소시킬 것이다. 이는 33배 감소에 대해, 레일리 산란 효과로 인한 33 내지 33의 제곱근(약 5.9) 배수로 감쇠가 감소된 Si-29 농도를 초래할 것이다. 이는 1310nm 대역뿐만 아니라, 대략 1650나노미터까지의 파장에서 보여지는 전체 감쇠를 극적으로 감소시킨다.

물론, 특허 6,810,197호의 특징 중 일부분의 조합, 코어와 코어 근처의 클래딩 영역에서 O-16의 O-18로의 대체, 및 100배 감소에 이르기까지(Si-29 원자/원자의 0.0467%까지)의 Si-29 동위원소 비율의 극적인 감소를 조합하면, 신호의 광 도파로 통과로 인한 전체 감쇠의 현저한 감소가 유발된다.

특허 6,810,197호의 저자들은 적어도 어느 정도의 O-17 동위원소는 유용한 장점을 제공하는 데 필수적이며, 비 동위원소 변경 섬유에 보통 존재하는 산소-16의 대부분을 산소-18로 공동 대체한다고 생각했다. 예를 들어, 특허 6,810,197호의 청구항 제1항, 제3항, 제4항 및 제9항 참조.

대조적으로, 본 발명은 O-17 동위원소의 존재 또는 부재를 명시하지만, 특허 6,810,197호 또는 다른 특허 또는 출원의 특허청구범위들과 일부 중복되기에는 비율적으로 충분히 더 낮다.

광섬유 도파로 설계 분야에 익숙한 사람, 즉, 광섬유 과학자와 엔지니어라면 주어진 전송 파장 및 코어 직경에 대해 그것이 단일 모드 전송 매체로서, 또는 그 대신 다중 모드 전송 매체로서 기능하는 데 필요한 굴절률을 정의할 수 있을 것이다.

용융 실리카 굴절률은 달성된 Si-29 동위원소 비율 감소 정도에 따라 약 1.46의 자연적인 동위원소 분포 값으로부터 1.0000에 이르기까지의 사실상 임의의 값으로 조정될 수 있다. 따라서, 1.015와 1.005라는 위의 굴절률 예는 예시적인 것으로, 제한이 없다.

특허 6,128,928호는 광섬유의 클래딩 또는 내측 클래딩 영역에 첨가된 산화 게르마늄으로 이루어진 소량 도핑의 활성 산소 방지라는 장점을 기술하고 있다. 그러나, 그러한 맥락에서, Ge-73 동위원소(특허 6,128,928호의 저자는 이를 굴절률 상승 효과의 원천의 주요 부분으로 인식하지 못하고 있다)의 굴절률 상승 효과는 단점이다. 본 발명의 발명자는, 그것보다도, 굴절률을 높이지 않고도 특허 6,128,928호의 동일한 장점을 얻고자, 오로지 (또는 대부분을) Ge-73 동위원소 원자 이외의 게르마늄 원자를 첨가하는 것을 명시한다. 6,128,928호 특허의 저자는 자연적인 동위원소 샘플 대신 산화 게르마늄의 동위원소 변경 샘플을 이용할 가능성을 예상하지 못했다.

본 발명의 발명자는 1977년 가을, MIT에서 '8..03' 번호의 물리학 과목을 수강하여 광학과 도파로의 원리를 잘 알고 있었다.

2007년 초, 본 발명자는 광섬유 구축 및 이용이라는 매우 고도의 기술적 측면에 관한 1979년도 책을 읽을 기회가 있었다. 2008년 11월/12월, 본 발명자는 코닝 글래스 웍스 대 미국 스미토모 전기(Corning Glass Works v. Sumitomo Electric U.S.A.)의 671 F. Supp 1369(S.D.N.Y. 1987)의 지방 법원 판례와 868 F.2d 1251(Fed.Cir. 1989)의 연방 특별 행정 고등 법원 판례를 읽어볼 기회가 있었다. 이는 광섬유 연구의 역사 및 광섬유 구축과 설계의 세부사항에 대한 매우 광범위한 논문을 제공했다.

또한, 본 발명자는 통틀어 약 256개의 각 원소의 자연 발생적인 동위원소 목록을 획득하게 되었다. 실리콘은 대략 92% Si-28, 4.67% Si-29, 및 3.1% Si-30으로 이루어져 있다. 게르마늄은 약 7.8%가 Ge-73이다. 주어진 핵종(동위원소의 핵)이 홀수의 양자 또는 홀수의 중성자를 가지고 있는 경우, '스핀'(실제로는 '전자기 스핀')이라는 속성을 보유한다. 따라서, 실리콘의 동위원소 중에서, Si-29(4.67% 원자/원자)만이 '스핀'을 가졌고, Ge-73(7.8% 원자/원자)만이 '스핀'을 가졌다.

'스핀'은 단일한, 짝을 이루지 않은 핵자가 존재한다는 사실에서 기인한 영구적인 워블로 생각될 수 있다. 그것은 (양으로 하전된) 핵의 진동을 유발하여, 그 핵이 작은 막대 자석과 비슷하게 행동하게 한다. 이러한 스핀은 가장 일반적으로는 수소-1 원자와 함께 핵 자기 공명 분석에, 그리고 자기 공명 영상화에 이용될 수 있다. 또한, 동위원소는 때때로 화학 반응의 메커니즘을 추적하는 '트레이서'로 이용된다.

코닝 판례를 읽고, 본 발명자는 실리카(SiO2)에 약 8%(중량/중량)의 게르마니아(GeO2)를 첨가하면, (1.4585의) 순수한 실리카의 굴절률을 약 1.466으로 상승시키는 효과가 있음을 알았다. 본 발명자는 왜 그런 효과가 나타나는지 궁금했다. 실리콘 원자는 오로지 4.67% 스핀을 함유하고 있고, 대체물인 게르마늄 원자는 7.8%의 Ge-73이었기 때문에, 본 발명자는 아마도 전자기성의 스핀을 함유하는 원자들의 존재가 그러한 물질들이 심지어 공기 또는 진공의 굴절률(1.000)보다 더 큰 굴절률을 나타내는 근본적인 이유라는 생각을 했고, 본 발명자가 옳다는 점이 밝혀졌다. 그때까지도 본 발명자는 주어진 Ge-73 원자가 Si-29 원자보다 굴절률에 전반적으로 더 큰 영향을 미치는지를 알지 못했지만, 그 때는 답변할 수 없는 질문이라고 이해했다.

그러나, Si-29가 실리카가 1.000이 넘는 굴절률을 나타내는 근본적인 이유일 수 있다는 깨달음은 연이어 다수의 아이디어로 이어졌다:

1. 클래딩 영역의 굴절률 이상으로 굴절률을 증가시키기 위해 실리카에 GeO2를 첨가하는 대신, 실리카에 Si-29를 첨가할 수 있다.

2. 코어에서 Si-29 동위원소 원자의 비율을 증가시키기보다는, 클래딩 영역에서 Si-29 동위원소 원자의 비율을 감소시킬 수 있으며, 따라서 기능을 발휘하는 광 도파로를 보유하는 데 필요한 굴절률 차이를 발생시킬 수 있다.

이러한 아이디어는 흥미롭지만, 광섬유 제조 산업에는 약간의 장점 증가만을 제공할 것이다. 각각의 아이디어는 게르마니아가 도핑된 광섬유보다 광 손실을 약간 감소시킬 것이지만, 두 가지 모두의 사례에서 속도 인자는 기존 광섬유의 c 특징의 68%에 가깝게 머무를 것이다.

가장 큰 문제는 코어와 클래딩의 굴절률을 어떻게 끌어내릴 수 있으며, 코어와 클래딩이 여전히 도파로의 기능을 할 수 있을까였다. 지금까지 알려져 있는 바로는, 클래딩 재료의 굴절률을 진공과 동일한 값인 1.0000의 값으로 낮추는 것은 불가능하다는 점이 유일한 한계점이었다. 그리고 그러한 클래딩인 경우, 코어는 아마도 약 0.008이 더 큰 굴절률을 나타내야만 할 것이고, 따라서 그것은 1.0080일 것이다.

그에 따른 섬유는 1/1.008의 속도 인자, 또는 c의 99.2%를 나타낼 것이다. 본 발명자는 기존의 0.68의 속도 인자로부터 0.99 근처로 신호를 가속화할 수 있게 하는 것이 광섬유 이용자에게 매우 가치 있으리라는 점을 깨달았다. 본 발명자는 본 발명이 c의 98~99%의 속도 인자를 나타내는 광섬유임을 인식하지 못했다.

그러나, 이는 놀라운 일이 아니었는데, 그 이유는 다양한 원소의 동위원소는 거의 필요가 없어서 과학계와 산업계는 동일한 원소의 동위원소를 분리하고자 하는 시도를 좀처럼 하지 않기 때문이다.

화학 분야에서는, 트레이서인 (안정적인) 동위원소 태그를 붙인 화학물질이 가끔 화학 반응을 분석하는 데 이용된다.

2000년대 초반, 안정적인 동위원소 강화라는 주제에 대해 세 개의 특허가 허여되었는데, 하나는 도이치 텔레콤(Deutsche Telekom)에, 두 개는 코닝에 허여되었다. 그러나 그들이 변경에 대해 논하고 있는 유일한 동위원소 비율은 Si-28 대 Si-30, 또는 O-16 대 O-18이었고, 더 적은 정도로 O-16 대 O-17을 논하고 있다. Si-29는 그야말로 고려되지 않았다.

필수적인 동위원소가 변경된 전구체(SiCl4; 사염화규소)를 생성하는 메커니즘은 이미 존재한다. "실리콘 킬로그램 프로젝트(Silicon Kilogram Project)" 참조("실리콘 킬로그램 스피어"를 구글 검색할 것). 그들은 러시아의 기체 원심분리기에서 실리콘을 함유하는 전구체(이는 아마도 실란(SiH₄) 또는 사염화불소(SiF₄)임)를 분리하여, 그것을 나중에 단일 결정 실리콘으로 전환하였다. 대신에, 본 발명은 SiCl4로 바뀌는 실란 또는 사염화불소를 필요로 하고, 이는 1976년 코닝이 특허를 받은 것과 동일한 유형의 광섬유 제조공정에 대해 투입물로서 직접적으로 이용될 수 있다.

훨씬 감소된 굴절률을 나타내는 광 투과성 재료 및 도파로의 개발은 광 기술 분야에서의 대단한 개선을 가져오며, 광학 엔지니어들이 오랫동안 느꼈던 필요를 충족시킨다.

본 발명은 자연의 1.4584라는 값보다 적은 임의의 굴절률을 나타내는 동위원소가 변경된 버전의 실리카(SiO₂)이다. 이는 자연적인 동위원소 비율의 실리카가 c의 (1/1.4584)의 속도로 빛을 전송함을 의미한다(여기서, c는 진공에서 빛의 속도로 정의된다). (진공은 정의상, 정확히 1.0000의 굴절률을 나타낸다.) 진공에서 빛의 속도는 초당 약 299,700킬로미터이다. 빛은 약 0.999c로 공기를 통과한다. 도 1에 나타낸 그래프는 브리태니커 백과사전 1989년판 매크로페디아 23권 665~666쪽에서 가져왔다. 가장 얇고 진한 검은색으로 나타낸 영역이 1880년에 이용할 수 있었던 광학 유리를 나타낸다. 1880년대에는 약 1.45 미만의 굴절률을 나타내는 어떠한 공지된 유리도 이용할 수 없었음을 볼 수 있다. 1934년쯤에는 1.40 정도로 낮은 굴절률을 나타내는 유리를 포함했던 지점("보통 광학 유리" 라고 표지된 명암 처리되지 않은 영역 참조)까지 기술이 발전했다.

그래프의 나머지(엷게 음영을 나타낸 부분)는 "1934년 이후 개발된" 다양한 종류의 유리를 나타낸다. 이 중에서, "불소인산" 및 "불소화" 유리는 약 1.32의 굴절률을 나타내는 영역을 포함한다. 현재 이용할 수 있는 유리가 1.4584보다 훨씬 낮은 굴절률을 나타내지 않는 이유는 대체로 그것들이 자연적인 동위원소 비율의 실리카로 만들어지기 때문이다. 다시 말하자면, 이들 유리가 함유하는 Si-29의 양은 자연적인, 전체 실리콘 원자의 4.67%(원자/원자)이다. 본 발명자는 실리카의 굴절률이 1.0000보다 크다는 사실의 원인이 거의 전적으로 Si-29(그리고, 훨씬 더 적은 비율로, O-17)에 있음을 발견했다. 과학자와 엔지니어들은 사실상 동위원소 비율이 변경된 재료를 거의 보지 않으므로, 이를 인식하지 못한다. 그들이 보는 실리카는 항상 4.67% 원자/원자의 Si-29 비율을 나타낸다. 0.20% Si-29 원자/원자의 동위원소 비율을 나타낸다면, 1.02의 굴절률을 나타내는 실리카를 제조할 수 있다. 0.10% Si-29 원자/원자 등의 동위원소 비율을 나타낸다면, 1.01의 굴절률을 나타내는 실리카를 제조할 수 있다. 이러한 효과는 정확히 선형적이지는 않다. 이들 값은 예시의 목적으로 선택되었다.

더욱 구체적으로는, 본 발명은 다양한 동위원소 비율로 존재하며, 보통 실리콘 동위원소 Si-29가 아주 많이 결핍된 실리카를 포함하는 광 도파로에 관한 것이다. 자연에서 보통 발견되는 4.67%(원자/원자)에서부터 Si-29의 동위원소 비율의 (약 0.093% Si-29 동위원소 비율까지) 약 50배의 극적인 감소는 대략 1.010의 굴절률을 나타내는 용융 실리카를 생성할 것이다. 이는 자연적인 동위원소 비율의 용융 실리카에 존재하는 1.46의 굴절률과 대조를 이룬다. 다음을 포함하는 구체적으로 향상된 도파로 성능의 광 도파로를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다:

1. 보통 1.46의 굴절률을 나타내는 실리카와 관련된 0.67(1/1.46 = 0.67)을 훨씬 넘는 값으로 설정 가능한 신호 속도 인자. 이러한 속도 인자는 광 신호가 99.5% c의 속도로 코어 영역을 횡단할 것임을 의미하는 적어도 0.995까지 조정 가능해야 한다. 빛은 약 0.750c로 순수한 물을 통과한다. 빛은 약 66% c로 보통 유형의 유리를 통과한다. 따라서, 데이터 신호는 보통의, 종래 기술의 광섬유에서보다 약 1.5배 더 빠르게 이동할 수 있을 것이다.

2. 게르마니아로 도핑된 실리카 섬유에서 일반적으로 보이는 0.191~0.200db/km로부터, 그리고 또한, 도핑되지 않은 코어 실리카 섬유에서 전형적으로 보이는 0.160db/km로부터의 광 손실의 매우 큰 감소. 이러한 감소는 적어도 5배일 것이며, 아마도 모든 동위원소 변경이 추가되면 50배를 훨씬 초과할 것이다. 후자의 값이 달성되어 0.0032db/km의 손실 값이 달성되면, 섬유 신호는 2회, 1회의 중간 재증폭으로, 또는 심지어 중간 재증폭 없이, 대서양을 가로질러 전송될 수 있다. 이러한 레일리 산란의 감소는 500nm~1650nm 대역 대부분을 커버한다.

3. 400~700nm의 가시광선 파장 대부분뿐만 아니라, 700~1650nm의 적외선 파장 대부분을 포함하기 위한, 광 손실 감소에 상응하는, 색 분산 및 펄스 확장의 큰 감소.

일 구현예에서, 약 1.005로의 클래딩 굴절률의 감소는 1.015의 코어 굴절률과 조합되어, 약 0.985의 속도 인자를 가져오며, 이는 데이터 신호가 진공에서 이동하는 빛의 속도의 약 98.5%로 이동함을 의미한다. 특정 구현예에서 코어와 클래딩 사이의 굴절률 차이는 적어도 네 가지 메커니즘에 의해 달성된다:

1. 코어 영역 실리카에서 Si-29의 동위원소 비율을 약 4.67%/30으로 감소시키고, 클래딩 영역에서 Si-29의 동위원소 비율을 약 4.67%/100으로 변경시킴.

2. 코어 및 클래딩 영역 모두에서 Si-29의 동위원소 비율을 약 4.67%/100으로 감소시키는 한편, 굴절률을 1.015로 증가시키기 위하여 약간의 Ge-73 동위원소(또는 더 많은 비율의 자연적인 동위원소 게르마니아)를 첨가함.

3. 코어 및 클래딩 영역 모두에서 Si-29의 동위원소 비율을 약 4.67%/100으로 감소시키는 한편, 코어의 굴절률을 적절한 도파로 기능을 유지하기에 충분한 수준까지 상승시키는 데 충분한, 자연계에서 발견되는 0.038%의 비율을 초과하여 산소-17 동위원소 원자의 비율을 첨가함.

4. 코어 및 클래딩 영역 모두에서 Si-29의 동위원소 비율을 약 4.67%로 감소시키는 한편, 적절한 도파로 기능을 유지하는 데 충분한 수준까지 코어의 굴절률을 상승시키는 데 충분한 양의 산소-17 동위원소 및 게르마늄-73 동위원소(또는 산소-17 동위원소 원자 및 상당한 동위원소 비율의 게르마늄-73을 함유하는 약간의 게르마니아)를 코어 영역에 첨가함.

또 다른 구현예에서, 코어와 클래딩 영역에 대한 굴절률 설정값은 상이한 값으로 설정되나, 이러한 차이는 도파로의 기능을 수행할 수 있도록 관계를 유지한다. 예를 들어, 코어 굴절률 1.04 및 클래딩 굴절률 1.03으로 설정될 수 있다.

이러한 선택은 전구체 물질의 동위원소 샘플 정제 요건을 줄여준다. 코어 영역은 자연적인 샘플에서 발견되는 4.67% 원자/원자보다 12배 더 적은, 감소된 Si-29 함량의 실리콘 원자로 제조되면 되고, 클래딩 영역은 Si-29 동위원소 원자의 4.67% 원자/원자보다 17배 더 적은, 감소된 Si-29 함량의 실리콘 원자로 제조되면 된다.

또 다른 구현예에서, 코어와 클래딩 영역 모두는 거의 전적으로, Ge-73 동위원소의 정상적인 비율을 각각 100배 및 300배(각각 위의 1번 항목에 유사한 7.8%/100 및 7.8%/300 원자/원자)로 감소시키고자 동위원소가 변경된 게르마니아(GeO₂)로 구축된다. 마찬가지로, 또 다른 구현예에서, 코어와 클래딩 영역 모두는 거의 전적으로, Ge-73 동위원소의 정상적인 비율을 300배(7.8%/300) 미만으로 감소시키고자 동위원소 변경시킨 게르마니아로 구축되나, 여기서 코어의 굴절률은 Si-29 원자의 소량 도핑 또는 O-17 동위원소 원자의 소량 도핑, 또는 양자 모두를 첨가하여 상승시킨다.

또 다른 구현예에서, 그리고 이용되어야만 하는 동위원소가 변경된 재료의 양을 감소시키기 위하여, 외측 클래딩 영역에 이용되는 재료는 더 낮은 정도로 Si-29 동위원소가 결핍될 가능성과 함께, 코어 영역은 내측 클래딩 영역에 의해 바로, 그 다음, 외측 클래딩 영역에 의해 둘러싸이도록 구축된다. 예를 들어, 코어는 1.015의 굴절률로 설정될 수 있고, 내측 클래딩은 1.005의 굴절률로 설정될 수 있으며, 외측 클래딩은 지상 샘플에서 발견되는 자연적인 동위원소 비율에서 발견되는 Si-29(또는, 대안적으로는, Ge-73)의 4.67% 원자/원자(Si-29의 경우) 또는 7.8% 원자/원자(Ge-73의 경우)와 동일하거나 이에 더 가까운 동위원소 비율의 이러한 종들로 제조될 수 있다. 이러한 구축법은 이용되는 재료의 비용을 최소화하는 경향이 있을 것이다. 그러나, 이러한 기법에서는, 빛에서 허용 가능한 비율만 외측 클래딩 영역으로 '유출'되어 손실될 수 있게 하여 섬유의 전체 감쇠가 증가하도록 하기 위하여, 내측 클래딩/외측 클래딩 경계면의 직경은 코어/내측 클래딩 경계면의 직경보다 충분히 커야 함을 주목하라. 광섬유 엔지니어링 및 광섬유 과학 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 허용 가능한 수준으로 손실을 낮추기 위하여 내측 클래딩 영역의 외경이 코어 영역의 직경보다 충분히 더 크다는 점을 수학적으로 예측할 수 있고, 실험에 의해 별도로 확인할 수 있을 것이다.

동위원소 변경 재료의 공급원

실리카는 Si-29 동위원소 원자가 결핍된 실리콘을 함유하는 전구체로부터 유래된다. 이러한 실리콘을 함유하는 전구체는 적어도 다음과 같은 세 가지 유형일 수 있다:

1) Si-28 동위원소 원자의 동위원소 비율이 대략 99.5% 원자/원자까지 농축되고, Si-30 동위원소 원자는 매우 소량 또는 무시해도 될 정도의 양까지 결핍됨. 그러한 동위원소 분포는 가벼운 분자인 SiF₄ 또는 SiH₄를 선택하는 기체 원심분리기의 유출구로부터 기대할 수 있다.

2) Si-30 동위원소 원자의 동위원소 비율이 약 90% 원자/원자 이상까지 농축되고, Si-28 동위원소 원자가 10% 이하까지 결핍됨. 이는 또한 무거운 분자를 선택하는 기체 원심분리기의 유출구 산물일 것이다.

3) 자연적인 비율인 4.67% 원자/원자로부터 Si-29 동위원소 원자의 동위원소 비율은 결핍되나, Si-28과 Si-30 동위원소 원자의 상대적인 비율은 크게 다르지 않음.

이러한 각각의 예에서 Si-29 비율은 침전된 실리카 물질에 대하여 소정의 굴절률을 달성하도록 계산된 값으로 설정된다.

약 0.1% Si-29 동위원소 원자가 있는 실리콘 원자 동위원소 분포의 실리카를 이용하는 전형적인 바람직한 구현예의 경우, 90%+ Si-30 동위원소 기반인 위의 2번 항목과 99.5% Si-28 동위원소 기반 사이의 주요한 차이가 1600nm를 초과하는 파장에서 IR 신호 전송을 위한 폭넓은 통과 대역을 창출할 것이다. 확대된 전송 스펙트럼의 구체적인 규모 및 손실 수치는 섬유를 구축하기 전에 용이하게 예측할 수 없지만, 종래의 광 도파로 기술 분야로는 특히 0.1db/km보다 훨씬 못 미치는 손실에서 이러한 추가적인 이용 가능한 주파수를 예상하지 못했다는 점을 이해할 것이다. 또한, 이러한 추가적인 이용 가능한 주파수가 제공되었거나 예견되었거나, 지나치게 낮은 손실 전송으로 인하여 동일하게 이용 가능한 약 1400nm로부터의 전송 대역을 수반하지 않았음을 이해할 것이다.

본 발명의 다른 목표 및 목적의 인식, 그리고 그것에 관한 더욱 완벽하고 포괄적인 이해는 첨부된 도면을 참조하고, 본 발명을 실시하는 최선의 방식에 관한 다음과 같은 설명을 연구함으로써 달성될 수 있다.

도 1은 광학 유리의 범위에 대하여, 굴절률 n 대 수렴성 v의 그래프이다. 출처: Glass in the Modern World by F.J. Terence Maloney, 1968, Doubleday & Company, Inc.
도 2는 특허 공개공보 2003/0002834호의 도 1을 재현한 것이다.
도 3은 특허 6,490,399호의 도 1을 재현한 것이다.
도 4는 특허 6,810,197호의 도 4를 재현한 것이다.
도 5는 특허 6,810,197호의 도 5를 재현한 것이다.
도 6은 특허 6,810,197호의 도 9를 재현한 것이다.
도 7은 특허 6,810,197호의 도 12를 재현한 것이다.
도 8은 특허 6,810,197호의 도 10을 재현한 것이다.
도 9는 특허 6,810,197호의 도 11을 재현한 것이다.
도 10은 특허 6,810,197호의 도 2를 재현한 것이다.

발명의 장점

1.001 정도의 작은 굴절률을 나타내는 유리 물질을 이용할 수 있으므로, 자연적인 4.67% 원자/원자로부터 Si-29 함량을 약 0.01%로, 또는 심지어 더 낮게 감소시킴으로써, 도파로 코어의 굴절률이 대략 1.001~1.002일 수 있게 하여, 그러한 섬유를 통해 전송된 신호의 '속도 인자'는 적어도 (1/1.001) 또는 99.9% c 정도로 높아질 수 있다.

기존의 광섬유 케이블은 전형적으로 약 (1/1.47), 또는 'c'의 68%의 속도 인자로 작동하는 도파로를 이용한다. 약 36밀리초의 단방향 지연 내에 대략 뉴욕과 런던 사이의 케이블 길이인 약 6,000킬로미터의 거리를 신호가 전송될 수 있다. 심지어 더 일직선형이며 더욱 직접적으로 설계된 현재의 제안된 경로를 이용할 때, 5000이라는 케이블 거리와 30밀리초의 단방향 지연이 현재 기술이 제공할 수 있는 최소값이다.

그러나, 섬유를 68%라는 지금까지의 전형적인 값이 아니라 99.5%의 속도 인자를 나타내는 섬유로 전환할 경우, 더 긴 경로에 대한 단방향 지연은 36밀리초의 약 2/3, 또는 24밀리초가 된다. 일반적인 케이블로는 30밀리초의 단방향 지연을 나타낼 것으로 예상되는 더 짧은 경로에 그러한 더 빠른 섬유를 이용할 경우, 30밀리초의 2/3배, 또는 20밀리초의 단방향 지연을 초래할 것이다.

이러한 종류의 신호 지연 차이는 일반적으로 실시간 쌍방향 비디오, 서버 응답, 데이터베이스 검색, 인터넷 게임 및 저 지연 전화 통신의 경우 극히 중요하다. 또한, 그 덕분에 동일한 지연에 대해 데이터베이스 및 기타 서버가 사용자로부터 더 멀리 위치될 수 있다.

증권거래소와 같은 금융 시장이 특히 영향을 받을 것이다. 각 방향의 수 밀리초의 추가적인 지연은 대량 주식 거래 회사로서는 1개월당 수천만 달러의 비용이 될 수 있다. 36밀리초로부터 24 또는 심지어 20밀리초로의 뉴욕과 런던 사이, 또는 뉴욕과 로스앤젤레스 사이 지연의 2/3배의 감소는 단일 국가만이 아니라 궁극적으로는 전 세계를 밀접하게 연결시킬 것이다.

인터넷 게임은 또 다른 용도이다. 오늘날, 예를 들어, 뉴욕과 호주의 시드니에 위치해 있는 두 사용자는 상대가 한 일을 100밀리초 후에 알게 되는 컴퓨터를 이용하여 (무혈) 디지털 전투에 몰두할 수 있다. 이러한 지연은 겉보기에는 작지만 확실히 인지 가능하고, 실질적으로 게임의 흐름에 영향을 미친다. 100밀리초에서 67밀리초로의 단방향 회선 지연의 2/3배 감소는 최소한의 이론적으로 가능한 지연을 제공할 것이다.

광 손실 장점

약 1560nm의 손실 최소값에서 순수한 실리카 코어 도파로에 대한 최소한의 광 손실은 0.151db/km이라는 점은 오랫동안 받아들여졌었다. Si-28의 Si-30으로의 대체 및 O-16의 O-18로의 대체 가능성으로 이것은 어느 정도 바뀌었다. 그러나, 0.10db/km 미만으로의 개선은 여전히 달성하기 어려워 보이며, 값비싼 것으로 간주된다.

본 발명은 Si-29를 50배, 100배, 또는 그 이상으로 감소시킴으로써, 광 손실을 10배, 아마 100배 또는 그 이상으로 감소시킨다. 이로써 중계기는 5000킬로미터 이상의 더 적은 범위를 달성할 수 있다.

광 대역폭 증가의 장점

본 발명으로 1510nm 내지 1610nm 사이의 현재의 광 대역폭은 적어도 1450nm에서 1800nm까지, 그리고 아마도 1230nm 내지 2000nm로 증가한다. 이들 파장 중 일부를 최대한 활용할 경우 적합한 전송기 레이저와 검출기 생산을 기다려야 할 것이지만, 이러한 새로운 전송 영역의 대부분은 거의 즉시 이용 가능할 것이다. 어쨌든, 이러한 새로운 용량의 섬유는 즉시 설치되어 전통적인 1510~1610 대역뿐만 아니라 수신기와 송신기가 이용 가능해짐에 따라 확장되는 주파수 대역에서도 작동될 수 있다.

그러나, (만일 존재한다면) 추가적인 대역폭을 증폭시킬 정합 섬유 증폭기 없이는, 특허 6,810,197호가 그렇듯이, 단순히 광섬유의 전송 대역폭을 1510~1610nm로부터, 예를 들어, 1610~1710nm 대역을 포함하도록 증가시킬 수 있다는 점은 거의 가치가 없다. 에르븀을 기초로 한 섬유 증폭기는 대략 1520~1565nm 대역폭 영역에서 증폭시켜, 이를 주요 전송 영역이 되게 한다. 각 증폭기에서 그러한 신호를 검출하여 재전송하는 것이 가능할 것이나, 이는 비싸고 추가적인 대역폭을 무가치하게 만들 것이다. 더 큰 용량을 달성하기 위하여 간단히 추가적인 섬유를 설치하는 편이 더 저렴할 수 있을 것이다.

그것보다는, 이러한 대역폭을 이용할 수 있게 될 뿐만 아니라 대략 0.01~0.02db/km의 손실로 이용할 수 있다면, 심지어 섬유 증폭기를 전혀 이용하지 않고도(또는, 기껏해야, 대서양의 대략 중간 지점에서 하나의 검출 및 재전송 증폭기를 이용하여) 훨씬 더 넓은 대역을 이용할 수 있다.

본 발명을 이용함으로써 이용할 수 있는 대역폭은 약 1430~1750으로 약 320nm에 달하며, 이는 1520~1565nm 대역의 45nm보다 7배나 더 넓고, Si-28 대 Si-30, 그리고 O-16 대 O-18의 일반적인 동위원소 분포를 이용하는 것을 위한 것이 될 것이다. 대부분 Si-30뿐만 아니라 대부분 O-18을 이용함으로써, 이용 가능한 대역폭은 1430~2000nm, 또는 570nm로 증가하며, 이는 1520~1565nm 대역보다 약 13배 더 넓다.

급격히 감소된 재료에서 유래된 분산 인자

도파로 재료의 Si-29 동위원소 원자 비율의 큰 감소는 상응하는 제작된 광 도파로 전체 분산의 큰 감소를 초래할 것이다. 도 6 및 도 7 참조. 도파로 그 자체가 원인이 되는 분산의 일부분(도 8 참조)은 동일하게 유지될 가능성이 높을 것이고, 다른 동위원소 변경 절차가 완료된 후에 남아있을 수 있는 임의의 나머지 전체 분산을 중화시키기 위해서는 측면 분산을 선택할 수 있다. 광섬유 도파로 설계 분야에 익숙한 사람이라면 원하는 분산 수준을 달성할 코어 대 클래딩의 다양한 대체를 정의할 수 있을 것이다.

본 발명은 코어와 클래딩 영역의 Si-29 동위원소 비율이 크게 감소된(대략 존재하는 모든 실리콘 원자의 자연적인 4.67% 원자/원자로부터 Si-29 비율의 3배 내지 100배 감소) 재설계된 도파로를 고려하며, 이는 도 6으로부터 유추된"재료 분산(코어)"의 곡선으로부터 큰 변화를, 그리고 도 8로부터 유추된 "도파로 분산"의곡선, 도 9로부터 유추된 "0-18 코어/O-16 클래딩" 과 조합된 측면 분산에서 (만일 발생한다면) 훨씬 더 적은 변화를 초래할 것이다.

다시 말하자면, 도 9의 4번 선의 단조롭게 상승하는 곧은 선은 도 8의 1번 내지 4번 선의 단조롭게 하강하는 곧은 선(들)을 부분적으로 보상할 것이다. 이러한 값들을 부가한 나머지는 도 6의 4번 선과 유사한 Si-29가 감소된 곡선과 조합될 수 있으며, 이는 특허 6,810,197호에서보다 훨씬 완만한 경사가 될 것으로 예상할 수 있다.

도 7의 "전 분산"과 유사한 전체 분산은 "재료 분산", "도파로 분산" 및 "측면 분산"의 선형적인 합이 될 것이며, 1.0ps/nm/km 값보다 더 낮을 수 있고, 이는 도 7에 나타낸 일반적인 동위원소 "0-16 코어/O-16 클래딩"의 1.6미크론 파장에서의 약 20ps/nm/km의 값으로부터는 매우 큰 감소에 해당한다.

광섬유 도파로 과학자와 엔지니어들은 오랫동안 분산 보상 섬유(DCF)의 필요성 및 이의 사용에 익숙했다. (전형적인 광 도파로 회선에 존재하는 수백 또는 수천 킬로미터와 비교할 때) 상대적으로 짧은 길이에 사용되는 이러한 섬유의 목적은 주어진 광신호의 상이한 파장 부분들의 도착 시간의 변화에 반대하여, 그것에 대항하고 그것을 완전히 또는 부분적으로 중화시키는 것이다. 주어진 실제 데이터 링크가 전달할 수 있는 최대 비트 전송률(기술적으로는, 심볼 레이트)을 달성할 수 있도록 하기 위해서는 분산 보상 섬유를 이용하는 것이 결정적일 수 있다. 그 이유는 분산이 늦지 않게 주어진 비트를 구성하는 광 신호 전이의 도착 시간을 모호하게 만드는 경향이 있기 때문이다.

예를 들어, 40기가비트/초(초당 400억 비트)의 심볼 레이트는 1비트가 각각의 광 신호 심볼에 존재할 경우 (1/40,000,000,000)의 비트 시간 = 25피코초를 의미한다. 이러한 속도, 40기가비트/초는 가장 최근에 설치된(또는 업그레이드된) 데이터 링크에 이용된 가장 빠른 상용 데이터 속도이다. 그러나, 그러한 비트(심볼)가 제 시간에, 말하자면, 50피코초 이상의 시간 내에 확산되었다면 25피코초의 최소 신호 시간을 검출할 수 있는 광 검출기를 가지고 있다는 것은 거의 도움이 되지 않는다. 푸리에 법칙에 따르면 초당 40기가비트 신호의 광 파장 대역폭은 대략 최소 0.3나노미터일 것이므로, 20ps/nm/km의 분산을 나타내는 종래의 비 보상 섬유는 약 4킬로미터의 섬유 길이 후에 25피코초의 시간 내에 분산에 의해 유발된 모호함을 더할 것이다. 따라서, 짧은 거리의 섬유의 경우라도 이러한 분산의 보상은 초당 40기가비트의 지속을 허용하는 데 필수적이라고 볼 수 있다.

광섬유 분산의 많은 부분이 현재 분산 보상 제품으로 보상되고 있지만, 임의의 그러한 보상의 완성도는 100% 미만으로 제한되는 경향이 있다. 따라서, 주요 섬유가 우수할수록 (주요 섬유의 기초 분산이 낮을수록) 최종적으로 보상된 광 회선의 분산이 더욱 우수할 것으로 예상할 수 있다. 10배 이상으로 자연적인, 비 보상 섬유 분산을 감소시키는 본 발명의 전망은 보상에 의한 신호 분산 개선과 유사한 전망을 제공한다.

본 발명은 미국 특허번호 4,435,040으로부터의 기법을 이용할 수 있다

본 발명으로 구축된 광 도파로는 약간의 주의와 변경으로, 미국 특허번호4,435,040에 기술된 이중 클래드 공정을 이용할 수도 있을 것으로 예상된다. 먼저, 기존 기술의 도파로에서, 코어와 클래딩은 자연적인 동위원소 분포의 실리카 굴절률인 1.46과 매우 가까운 굴절률을 나타냄을 기억해야 한다. 그러한 도파로에서 광 신호의 물리적인 파장은 예를 들어, 1.46으로 나눈 1510나노미터, 또는 대략 1050나노미터이다. 이와 대조적으로, 굴절률이 약 1.01인 도파로에서, 그러한 도파로의 물리적인 파장은 1510나노미터/1.01, 또는 약 1495나노미터이다. 도파로 내에서의 파동의 작용은 광학파의 규모와 비교한 도파로의 규모를 기초로 하기 때문에, 코어와 클래딩 같은 도파로 구성요소의 규모는 다른 모든 조건이 동일한 상태에서 기존 기술의 섬유보다 더 큰, 약 1.46배/1.01, 또는 1.45배까지 확대될 것으로 예상된다.

예를 들어, 특허 4,435,040호가 2x4미크론, 또는 8미크론보다 더 큰 유효 코어 직경을 지정하는 경우, 이것은 8미크론 x 1:45, 또는 약 11.6미크론의 코어 직경으로 전환될 것이다. 마찬가지로, 특허 4,435,040호가 코어의 반경과 내측 클래딩의 반경 사이 차이를 약 0.5 내지 0.8배로 지정하는 경우, 그러한 인자들은 11.6미크론으로 작동되어, 약 23.2미크론과 14.5미크론의 내측 클래딩의 외경으로 이어질 것이다.

또한, 특허 4,435,040호는 외측 클래딩 영역의 두께가 코어 반경보다 약 6배 내지 8배 더 큰, 또는 (6~8) x (5.8미크론), 또는 34.8 내지 46.4미크론이어야 하며, 이로써 외측 클래딩 영역의 외경이 11.6 + 2(34.8 내지 46.6) 또는 81.2 내지 104.8미크론이 될 것이라고 예측하고 있다. 외측 클래딩 영역 외부는 또 다른 클래딩 영역이 되도록 허용되며, 아마도 굴절률은 일반적인 실리카의 굴절률, 또는 1.46과 동일하다.

또 다른 주의점은 4,435,040호와 같은 여러 특허들이 재료의 굴절률의 퍼센트 변화, 예를 들어, 자연적인 동위원소 실리카의 굴절률, 또는 1.46과 가까울 것으로 예상할 수 있는 값의 "0.1% 내지 0.6%"를 언급한다. 이는 0.1% 곱하기 1.46의 변화, 또는 0.00146의 차이, 내지 1.46의 0.6%, 또는 약 0.00876의 변화로 전환된다.

그러나 실리카 물질이 동위원소 변경되어 Si-29 함량을 크게 감소시켜, 예를 들어, Si-29의 자연의 4.67% 원자/원자의 약 1/100로 감소시켜, 대략 1.005의 굴절률로 감소시킬 때, 그러한 값(1.005)을 0.00876만큼 감소시키는 것은 가능하지 않다. 실제 균일한 물질의 굴절률은 진공의 굴절률, 또는 1.0000 미만이 될 수 없다. 따라서, ("0.1% 내지 0.6%와 같은) 굴절률에 관한 퍼센트 변화는 문자 그대로 이용될 수 없고, 아마 의도되었던 것인 1.000의 굴절률을 초과하는 굴절률의 수치 차이를 반영하도록 전환되어야 한다. 광 도파로 설계 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 1.00에 훨씬 가까운 굴절률을 나타내는 새로운 물질에 적용하기 위해, 1.46에 가까운 굴절률의 물질에 대해 본래 의도되었던 원리들을 성공적으로 전환할 수 있으리라고 기대할 수 있다.

Si-29 동위원소 원자의 동위원소 비율의 함수로서의 용융 실리카의 굴절률

위에서 언급한 바와 같이, 실리콘-29의 동위원소 퍼센트가 (자연계에서 발견되는) 4.67% 원자/원자의 정상적인 값으로부터 다양하므로, 실리카의 굴절률은 각기 다를 것이다. 주어진 Si-29의 비율에 대한 실리카의 굴절률을 계산하기 위하여, 다음과 같은 식이 이용된다:

굴절률(실리카) = SQRT (1+ (1.131((Si-29 원자/원자 퍼센트)/4.67%)))

용융 실리카 유리의 굴절률에 대한 예제 표:

Si-29 동위원소의 동위원소 비율(원자/원자)		용융 실리카 유리의 굴절률
0.467%	(자연의 1/10)	1.056
0.0467%	(자연의 1/100)	1.0056
0.117%	(자연의 1/40)	1.0140

(이들 수치는 용융 석영 유리의 전반적인 굴절률에 대하여, 산소-17 함량에 의한 작은 기여도를 무시한다.)

Si-29 함량이 자연 값의 1/40인 용융 실리카와 자연 값의 1/100인 용융 실리카의 굴절률 차이는 1.0140-1.0056 = 0.0084이다.

이러한 차이는 전형적인 단일 방식 광 도파로에 의해 이용되는 굴절률 차이와 대략 동일하다. 광 도파로는 0.117%(원자/원자)의 실리콘 동위원소 비율을 나타내는 순수한 용융 실리카를 함유하는 코어 영역과, 0.0467%(원자/원자)의 실리콘 동위원소 비율을 나타내는 순수한 용융 실리카를 함유하는 클래딩 영역으로 구축될 수 있다는 결론이 나온다. 순수한 용융 실리카의 굴절률을 독립적으로, 그리고 정확하게 제어하는 일은 임의의 외래 도펀트 첨가 없이 유지될 수 있으므로, 광 도파로 설계 및 제조 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 이전에 존재했던 것보다 광 도파로 설계자가 광학적 특성들을 훨씬 더 많이 제어할 수 있으리라는 점은 명백할 것이다.

가장 확실하게 달성할 수 있는 개선 사항은 1.02의 코어 굴절률을 나타내는 재료를 이용하는 광 도파로의 구축이다. 그에 따른 속도 인자는 대략 (1/1.02), 또는 c의 98%일 것이다. 이러한 특징을 나타내는 섬유가 효율적으로 활용될 때, 관련된 데이터 대기를 극적으로 감소시킬 것이다.

두 번째 개선 사항은 다소 덜 명확한데, Si-29 동위원소 그 자체가 도펀트이므로, 그리고 광 손실은 도펀트 원자에 의해 유발된 레일리 산란의 함수이므로, (위의 예로부터) Si-29 원자 농도의 40배의 감소는 게르마니아가 도핑된 코어와 실리카 클래드의 광섬유에서 전형적으로 발견되는 0.19 데시벨/킬로미터의 값으로부터 광 손실의 40배 감소를 야기할 수 있다는 점이다. 이러한 규모, 아마도 0.005db/km에 이르는 광 손실은 매우 긴 섬유 회선에 대한 경우를 제외하고는 광학 증폭기의 필요성을 사실상 없앨 수 있다.

실리카의 고유 손실의 그렇게 큰 감소는 교정되어야 할 제조상의 결함과 한계를 노출시킬 수 있고, 접속 손실 감소 연구는 새롭고도 더 긴급한 문제를 다루어야 할 것이다. 0.2 데시벨을 잃는 접속은 섬유 손실 1.0킬로미터(0.19db/km)와 동일할 때에는 타당하게 보일 수 있지만, 섬유 손실 40킬로미터(40 x 0.005db/km)와 등가인 것으로 보일 때에는 아주 허용 불가능하게 될 것이다.

세 번째 개선 사항은 위의 예에 기술된 Si-29 동위원소 함량의 40배 감소와 함께, 아마도 40배만큼의 실리카 그 자체의 색 분산의 극적인 감소가 될 가능성이 클 것이다. 전체 도파로 분산은 재료에 의해서뿐만 아니라 도파로 그 자체의 기하학에 의해서도 유발된 분산들의 합의 함수이므로 달성될 수 있는 전반적인 개선 사항을 예측하는 것이 더 어렵지만, 10배 규모의 전체 분산 감소가 타당할 것 같다. 그러한 개선 사항은 (종종 비트 전송률과 동일한) 더 높은 심볼 레이트를 허용하며, 현재 이용되는 복잡한 분산 보상의 필요성을 극적으로 감소시킬 수 있다.

네 번째 개선 사항은 특히, 모든 광 손실이 동일한 40배 감소의 대상이 되어, 위에 기술된 예에서 Si-29 비율의 40배 감소를 보상할 경우, 이용할 수 있는 광 주파수의 폭의 큰 확대일 것이다. 현재 최장거리 데이터 링크는 1540나노미터 근처의 파장에 한정되어 있지만, 이용할 수 있는 영역이 아마도 500 내지 2000나노미터로 연장될 수 있고, 이때, 950nm 및 1,400nm 주변으로 제한이 있을 것이다. 그러한 폭넓은 대역폭을 지원하는 데 필요한 부수적인 광학 및 전자 장치가 이용 가능하게 되어야 하지만, 소정의 설치된 섬유는 나중에 이러한 새로운 파장 영역들을 활용하는 데 이용될 수 있다.

실시예

1. 광 도파로는 대부분 실리카 또는 게르마니아 또는 둘 다로 이루어진 고순도 광학 유리로 형성된 클래딩 층 및 대부분 실리카 또는 게르마니아 또는 둘 다로 이루어진 고순도 광학 유리로 형성된 코어 영역을 포함할 수 있고, 여기서 상기 유리 중 어느 하나 또는 둘 다는, 4.44% 원자/원자 미만이 실리콘-29 동위원소 원자인 실리콘 원자를 함유하거나, 7.41% 원자/원자 미만이 게르마늄-73 동위원소 원자인 게르마늄 원자를 함유하거나, 또는 둘 다 함유한다.

각 퍼센트는 각 원소의 지상 샘플에서 정상적으로 발견되는 Si-29 및 Ge-73 동위원소 원자의 동위원소 비율의 0.95배일 수 있다.

이러한 도파로가 실리카로 구축된다면, 각각 코어 또는 클래딩에서, 상기 산소 원자의 최소 10%는 산소-18이 될 수 있다.

2. 광 도파로는 대부분 실리카 또는 게르마니아 또는 둘 다로 이루어진 고순도 광학 유리로 형성된 클래딩 층 및 대부분 실리카 또는 게르마니아 또는 둘 다로 이루어진 고순도 광학 유리로 형성된 코어 영역을 포함할 수 있으며, 이때, 코어 산소의 적어도 50몰 퍼센트, 및/또는 클래딩 산소의 적어도 50 퍼센트는 산소-18이다. 그러나, 추가적으로, 코어 영역 및/또는 클래딩 영역은 산소-18 동위원소 양의 5 원자% 미만의 비율로 산소-17 동위원소를 함유할 수 있다.

3. 광 도파로는 대부분 실리카 또는 게르마니아 또는 둘 다로 이루어진 고순도 광학 유리로 형성된 클래딩 층 및 대부분 실리카 또는 게르마니아 또는 둘 다로 이루어진 고순도 광학 유리로 형성된 코어 영역을 포함할 수 있으며, 이때, 코어, 또는 클래딩, 또는 둘 다의 산소의 적어도 70 원자%는 산소-18 동위원소이다. 그러나, 추가적으로, 산소-17 원소의 양은 총 산소 원자 함량의 5 원자% 미만이다.

4. 코어 또는 클래딩 또는 둘 다에 도펀트를 더 포함하는 실시예 1, 2 중 임의의 광 도파로. 그러나, 코어의 도펀트가 클래딩의 도펀트와 동일하다거나, 그것들이 코어와 클래딩에서 동일한 농도라거나 동일한 농도로 존재할 필요는 없다. 이러한 도펀트(들)은 자연적인 동위원소 비율의 게르마늄, 임의의 비 자연적인 동위원소 분포의 게르마늄, 또는 Si-29 동위원소, 또는 인, 또는 이의 조합일 수 있다.

5. 실시예 1, 2, 3의 모든 광 도파로에서, Si-29가 결핍된 SiO₂를 함유하는 영역의 부피 퍼센트, 또는 Ge-73이 결핍된 GeO₂를 함유하는 영역의 부피 퍼센트는 50% 미만일 수 있다.

6. 실시예 1의 광 도파로에서, 코어의 산소 중 적어도 70 원자%는 산소-18일 수 있거나, 코어에 인접한 클래딩 영역의 산소 중 적어도 70 원자%는 산소-18일 수 있으며, 산소-17의 양은 각각 그러한 영역들에서 전체 산소 원자 함량의 5 원자% 미만일 수 있다.

7. 본 발명의 임의의 광 도파로에서, 코어는 일정하거나 일정한 비율로 차츰 변화하는 굴절률을 나타낼 수 있다.

8. 본 발명의 임의의 광 도파로에서, 섬유는 유리 또는 플라스틱으로 만들어진 외부 층으로 둘러싸일 수 있다.

9. 본 발명의 임의의 광 도파로에서, 유리 물질은 순수한 또는 도핑된 게르마니아 유리를 포함할 수 있으며, 코어와 클래딩 영역 중 어느 하나 또는 둘 다에서, Ge-73 동위원소의 비율은 최대 7.2 원자%로 감소된 것이다.

10. 본 발명의 임의의 광 도파로에서, 0-18의 동위원소 비율은 코어 영역에서, 또는 클래딩 영역에서, 또는 둘 다에서, 존재하는 총 산소 동위원소 원자의 적어도 10 원자%까지, 그리고 최대한 100%까지 높아질 수 있다.

11. 본 발명의 임의의 광 도파로에서, Si-29 동위원소는 코어 또는 클래딩 또는 둘 다에서 도펀트로서 존재한다.

12. 본 발명의 임의의 광 도파로에서, O-17 동위원소의 비율은 지구상에서 발견된 0.038 원자%의 자연적인 O-17 동위원소 비율을 초과할 수 있다.

13. 본 발명의 임의의 광 도파로에서, O-17은 지구상에서 발견된 0.038 원자%의 자연적인 O-17 동위원소 비율로부터 코어 또는 클래딩에서 결핍될 수 있다. 추가적으로 Si-29 동위원소는 코어 또는 클래딩 또는 둘 다에서 자연적인 또는 비 자연적인 비율로 있을 수 있다.

14. 본 발명의 광 도파로는 0.001 원자%보다 더 큰, 실리콘의 Si-29의 동위원소 비율 차이에 의해, 또는 게르마늄의 Ge-73의 동위원소 비율 차이에 의해 코어와 클래딩 영역 사이의 굴절률 차이가 완전히 또는 부분적으로 유지되도록 설계될 수 있다.

15. 본 발명의 임의의 광 도파로에서, -OH는 일본 특허 요약서 JP-A-60090845에 기술된 바와 같이 중수소 린스에 의해 감소시킬 수 있다.

16. 본 발명의 임의의 광 도파로에서, 클래딩의 굴절률은 불소 화합물로 감소시킬 수 있다. 게다가, Si-30 또는 O-18, 또는 둘 다의 동위원소 비율은 코어 또는 클래딩 또는 둘 다에서의 자연적인 동위원소 비율보다 더 클 수 있다.

17. 본 발명은 또한 Si-29 원자를 4.44 원자% 미만, 또는 Ge-73 원자를 7.41 원자% 미만, 또는 Si-29 원자를 4.90 원자% 초과, 또는 Ge-73 원자를 8.18 원자% 초과하여 함유하도록 동위원소 변경된, 주로 실리카 또는 게르마니아 또는 둘 다로 만들어진, 광학적 전달 물질이다.

18. 본 발명의 임의의 광 도파로에서, 클래딩 또는 클래딩 층은 존재하는 게르마늄 원자의 동위원소 분포가 Ge-73 동위원소를 최대 7.2 원자%로 감소시키도록 게르마늄 원자의 동위원소 변경된 샘플링으로 도핑될 수 있거나, 가장 안쪽의 클래딩 층이 그렇게 변경될 수 있다. 바람직하게는 이산화 게르마늄의 양은 중량 기준 0.005% 내지 1 퍼센트의 범위이다. 더욱 바람직하게는 중량 기준 약 0.1% 내지 약 0.5%이다. 그리고 가장 바람직하게는 중량 기준 약 0.1% 내지 약 0.3%이다.

본 발명은 특정 구현예를 참조하여 기술되었다. 그러나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 다음의 특허청구범위의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고, 다른 변경 및 개선이 이루어질 수 있음이 명백할 것이다.

Claims (24)

1. a) 제1의 광학 유리로 이루어진 클래딩 층; 이때, 상기 제1의 광학 유리는 실리카, 게르마니아 및 실리카와 게르마니아의 혼합물 중 하나를 포함하고; 상기 제1의 광학 유리는 제1의 굴절률을 나타내는 클래딩 층;
   b) 제2의 광학 유리로 이루어진 코어 영역; 이때, 상기 제2의 광학 유리는 실리카, 게르마니아 및 실리카와 게르마니아의 혼합물 중 하나를 포함하고; 상기 제2의 광학 유리는 제2의 굴절률을 나타내는 코어 영역;을 포함하는 광 도파로로서,
   상기 실리카의 모든 다른 Si 동위원소에 대한 Si-29의 원자 퍼센트는 0 초과 및 4.44 미만; 및 4.90 초과 및 100 이하 중 하나이고;
   상기 게르마니아의 모든 다른 Ge 동위원소에 대한 Ge-73의 원자 퍼센트는 0 초과 및 7.41 미만; 및 8.18 초과 및 100 이하 중 하나인 광 도파로.
2. 제1항에 있어서, 실리카, 게르마니아 및 실리카와 게르마니아의 혼합물 중 하나의 모든 다른 O 동위원소에 대한 O-17의 원자 퍼센트는 0 초과 및 0.038 미만; 및 0.038 초과 및 100 이하 중 하나인 광 도파로.
3. 제1항에 있어서, 상기 제2의 굴절률은 상기 제1의 굴절률보다 더 큰 광 도파로.
4. 제1항에 있어서, 상기 실리카의 산소 원자의 적어도 10%는 산소-18인 광 도파로.
5. 제1항에 있어서, 상기 코어 영역의 산소의 적어도 50몰 퍼센트는 산소-18이고, 상기 코어 영역의 산소의 5원자 퍼센트 미만은 산소-17인 광 도파로.
6. 제1항에 있어서, 상기 클래딩 영역의 산소의 적어도 50몰 퍼센트는 산소-18이고, 상기 클래딩 영역의 산소의 5원자 퍼센트 미만은 산소-17인 광 도파로.
7. 제1항에 있어서, 상기 코어 영역의 산소의 적어도 70원자 퍼센트는 산소-18이고, 상기 코어 영역의 산소의 5원자 퍼센트 미만은 산소-17인 광 도파로.
8. 제1항에 있어서, 상기 클래딩 영역의 산소의 적어도 70원자 퍼센트는 산소-18이고, 상기 클래딩 영역의 산소의 5원자 퍼센트 미만은 산소-17인 광 도파로.
9. 제1항에 있어서, 상기 클래딩 영역은 도펀트를 더 포함하는 광 도파로.
10. 제1항에 있어서, 상기 코어 영역은 도펀트를 더 포함하는 광 도파로.
11. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 도펀트는 자연적인 동위원소 분포의 게르마늄, 비 자연적인 동위원소 분포의 게르마늄, 실리콘-29, 인, 실리콘-29 및 이의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 광 도파로.
12. 삭제
13. 삭제
14. 제1항에 있어서, 상기 굴절률들은 방사상으로 달라지는 광 도파로.
15. 제1항에 있어서, 상기 클래딩 층을 둘러싸는 외부 층을 더 포함하는 광 도파로.
16. 제15항에 있어서, 상기 외부 층은 유리 및 플라스틱을 포함하는 군으로부터 선택된 물질로 이루어지는 광 도파로.
17. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2의 광학 유리의 하이드록실 농도는 감소된 광 도파로.
18. 제17항에 있어서, 하이드록실의 감소는 중수소 린스에 의해 달성되었던 광 도파로.
19. 제1항에 있어서, 상기 제1의 유리는 불소 함유 화합물을 더 포함하며, 이로써 상기 제1의 굴절률이 더 감소된 광 도파로.
20. 제1항에 있어서, 상기 클래딩 영역은 상기 클래딩 영역의 중량 기준 0.005 내지 1% 이산화 게르마늄을 더 포함하는 광 도파로.
21. 제1항에 있어서, 상기 클래딩 영역은 상기 클래딩 영역의 중량 기준 0.1 내지 0.5% 이산화 게르마늄을 더 포함하는 광 도파로.
22. 제1항에 있어서, 상기 클래딩 영역은 상기 클래딩 영역의 중량 기준 0.1 내지 0.3% 이산화 게르마늄을 더 포함하는 광 도파로.
23. 실리카 및 게르마니아 및 실리카와 게르마니아의 혼합물을 포함하는 광학적 전달 물질로서, 상기 실리카의 모든 다른 Si 동위원소에 대한 Si-29의 원자 퍼센트는 0 초과 및 4.44 미만; 및 4.90 초과 및 100 이하 중 하나이고, 상기 게르마니아의 모든 다른 Ge 동위원소에 대한 Ge-73의 원자 퍼센트는 0 초과 및 7.41 미만; 및 8.18 초과 및 100 이하 중 하나인 광학적 전달 물질.
24. 제23항에 있어서, 실리카, 게르마니아 및 실리카와 게르마니아의 혼합물 중 하나의 모든 다른 O 동위원소에 대한 O-17의 원자 퍼센트는 0 초과 및 0.038 미만; 및 0.038 초과 및 100 이하 중 하나인 광학적 전달 물질.

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