(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）第１の光学ガラスのクラッディング層であって、前記第１の光学ガラスは、シリカ、ゲルマニア、およびシリカとゲルマニアとの混合物の１つを含み、前記第１の光学ガラスは、第１の屈折率を有する、第１の光学ガラスのクラッディング層と、
ｂ）第２の光学ガラスのコア領域であって、前記第２の光学ガラスは、ゲルマニア、およびシリカとゲルマニアとの混合物の１つを含み、前記第２の光学ガラスは、第２の屈折率を有する、第２の光学ガラスのコア領域と
を含む光導波路において、
前記シリカ中のすべての他のＳｉ同位体に対するＳｉ−２９の原子パーセントが、
０超かつ４．４４未満、および
４．９０超かつ１００以下
の１つであり、
前記ゲルマニア中のすべての他のＧｅ同位体に対するＧｅ−７３の原子パーセントが、
０超かつ７．４１未満、および
８．１８超かつ１００以下
の１つであることを特徴とする光導波路。
【請求項２】
請求項１に記載の導波路において、シリカ、ゲルマニア、およびシリカとゲルマニアとの混合物の１つで、すべての他のＯ同位体に対するＯ−１７の原子パーセントが、
０超かつ０．０３８未満、および
０．０３８超かつ１００以下
であることを特徴とする導波路。
【請求項３】
請求項１に記載の導波路において、前記第１の屈折率が前記第２の屈折率よりも低いことを特徴とする導波路。
【請求項４】
請求項１に記載の導波路において、前記シリカ中の酸素原子の少なくとも１０％が酸素−１８であることを特徴とする導波路。
【請求項５】
請求項１に記載の導波路において、前記コア領域中の酸素の少なくとも５０モルパーセントが酸素−１８であり、かつ前記コア領域中の酸素の５原子パーセント未満が酸素−１７であることを特徴とする導波路。
【請求項６】
請求項１に記載の導波路において、前記クラッディング層中の酸素の少なくとも５０モルパーセントが酸素−１８であり、かつ前記クラッディング層中の酸素の５原子パーセント未満が酸素−１７であることを特徴とする導波路。
【請求項７】
請求項１に記載の導波路において、前記コア領域中の酸素の少なくとも７０原子パーセントが酸素−１８であり、かつ前記コア領域中の酸素の５原子パーセント未満が酸素−１７であることを特徴とする導波路。
【請求項８】
請求項１に記載の導波路において、前記クラッディング層中の酸素の少なくとも７０原子パーセントが酸素−１８であり、かつ前記クラッディング層中の酸素の５原子パーセント未満が酸素−１７であることを特徴とする導波路。
【請求項９】
請求項１に記載の光導波路において、前記クラッディング層がドーパントをさらに含むことを特徴とする光導波路。
【請求項１０】
請求項１に記載の光導波路において、前記コア領域がドーパントをさらに含むことを特徴とする光導波路。
【請求項１１】
請求項９または１０に記載の光導波路において、前記ドーパントが、天然同位体分布のゲルマニウム、非天然同位体分布のゲルマニウム、ケイ素−２９、リン、ケイ素−２９、およびそれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする光導波路。
【請求項１２】
請求項１に記載の光導波路において、４．６７原子パーセント未満のＳｉ−２９を含有するシリカを含有する領域の体積パーセントが５０未満であることを特徴とする光導波路。
【請求項１３】
請求項１に記載の光導波路において、７．８原子パーセント未満のＧｅ−７３を含有するゲルマニアを含有する領域の体積パーセントが５０未満であることを特徴とする光導波路。
【請求項１４】
請求項１に記載の光導波路において、前記屈折率が半径方向に変化することを特徴とする光導波路。
【請求項１５】
請求項１に記載の光導波路において、前記クラッディング層を取り囲む外層をさらに含むことを特徴とする光導波路。
【請求項１６】
請求項１５に記載の光導波路において、前記外層が、ガラスおよびプラスチックを含む群から選択される物質で構成されることを特徴とする光導波路。
【請求項１７】
請求項１に記載の光導波路において、前記第１および第２の光学ガラス中のヒドロキシル濃度が通常の光学ガラスと比較して減少していることを特徴とする光導波路。
【請求項１８】
請求項１７に記載の光導波路において、ヒドロキシルの減少がジュウテリウムリンスを利用して達成されることを特徴とする光導波路。
【請求項１９】
請求項１に記載の光導波路において、前記第１の光学ガラスがフッ素含有化合物をさらに含み、それにより前記第１の屈折率がさらに減少していることを特徴とする光導波路。
【請求項２０】
請求項１に記載の光導波路において、前記クラッディング層が０．００５〜１重量％の二酸化ゲルマニウムをさらに含むことを特徴とする光導波路。
【請求項２１】
請求項１に記載の光導波路において、前記クラッディング層が０．１〜０．５重量％の二酸化ゲルマニウムをさらに含むことを特徴とする光導波路。
【請求項２２】
請求項１に記載の光導波路において、前記クラッディング層が０．１〜０．３重量％の二酸化ゲルマニウムをさらに含むことを特徴とする光導波路。
【請求項２３】
ゲルマニアまたはシリカとゲルマニアとの混合物を含む光伝送性材料において、
前記シリカ中のすべての他のＳｉ同位体に対するＳｉ−２９の原子パーセントが、
０超かつ４．４４未満、および
４．９０超かつ１００以下
の１つであり、
前記ゲルマニア中のすべての他のＧｅ同位体に対するＧｅ−７３の原子パーセントが、
０超かつ７．４１未満、および
８．１８超かつ１００以下
の１つであることを特徴とする光伝送性材料。
【請求項２４】
請求項２３に記載の光伝送性材料において、すべての他のＯ同位体に対するＯ−１７の原子パーセントが、
０超かつ０．０３８未満、および
０．０３８超かつ１００以下
の１つであることを特徴とする光伝送性材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には、同位体改変光ファイバーに関し、特定的には、Ｓｉ−２９同位体原子枯渇もしくは富化またはＧｅ−７３同位体原子枯渇もしくは富化のいずれかのシリカファイバーに関する。
【背景技術】
【０００２】
光損失は、典型的には何百キロメートルものシリカ系光ファイバーを含む光ネットワークおよび光リンクの設計および構築の制限因子である。シリカファイバーの光損失は、２つの因子、すなわち、（１）１／λ４（ただし、λは波長である）の関数として減衰しかつより短い波長が支配的であるレイリー散乱および（２）より長い波長が支配的であるシリカによる赤外吸収により、主に引き起こされる。典型的なゲルマニア（ＧｅＯ２）ドープシリカコアファイバーは、１５１０ｎｍ〜１６１０ｎｍで０．１８９ｄｂ／ｋｍ〜０．２００ｄｂ／ｋｍの損失を有する。
【０００３】
ファイバー領域の同位体改変を利用してより低い伝送率損失を有する光ファイバーを開発する試みがこれまでになされた。米国特許第６，８１０，１９７号明細書および同第６，８７０，９９９号明細書を参照されたい。損失の改良は、約０．１４５〜０．１５５ｄｂ／ｋｍに限られ、主に最小光損失波長を約１６７０ｎｍにシフトさせることによりかつ部分的に屈折率ドーパントをゲルマニアから酸素−１７に変化させることにより達成されたが、発明者らは、酸素−１７の使用に基づく損失減少の理由を認識していなかった可能性がある。
【０００４】
Ｓｉ−２９同位体が１．００００からのシリカの屈折率の変動のほぼすべての源であり、天然同位体比率の酸素−１７が通常（天然）レベルでわずかな増加を提供することを、光ファイバー科学技術者は認識してこなかった。同様に、Ｇｅ−７３同位体（通常使用されるドーパント）がその天然同位体比率で溶融シリカの屈折率を１．４６から約１．４７に増加させることも、そのような科学技術者は認識してこなかった。また、既存技術の光導波路に存在するレイリー散乱の大部分の原因となるのがＳｉ−２９ドーパントであることも、認識されていない。Ｓｉ−２９は、天然に存在する安定なケイ素同位体であので、ドーパントとして認識されていない。
【０００５】
したがって、シリカ中のＳｉ−２９同位体比率が約１／１００（天然の４．６７％原子／原子から０．０４６７％原子／原子）に減少すると１．００５の屈折率を有する材料が得られ、１／３３に減少すると１．０１５の屈折率を有する材料が得られるであろう。１．０１５−１．００５＝０．０１０の屈折率差を有するこれらの２つの材料は、それぞれ新しいファイバーのクラッディングおよびコアになるのに十分な適正範囲内にある。
【０００６】
同様に、米国特許第６，４９０，３９９号明細書には、ケイ素−３０によるケイ素−２８同位体の置換えが固有ＩＲ吸収線をグラフの右方向に移動させる類似の効果を有すると記載されている。この結果、使用可能な新しい伝送領域が開かれる。Ｓｉ−３０によるＳｉ−２８の置換えおよびＯ−１８によるＯ−１６の置換えの両方に対する約１６１０〜約１７１０ナノメートルの波長の「Ｂ」と表示された領域を示す図２を参照されたい。
【０００７】
米国特許第６，８１０，１９７号明細書の「発明の概要」（第１欄第５８行〜第３欄第１４行）には、増幅器間距離を１２５キロメートルから１５６キロメートルに増加できる可能性があるため、大西洋横断リンクに必要とされる増幅ステーションの数が１１ユニット減少すると記載されている。しかしながら、この利点が実際には幻想であることは、ほぼ確実である。１６１０〜１７１０を伝送するいずれの実際的リンクも、１５１０〜１６１０帯域を利用するように設計されるであろう。また、同位体置換は、１５１０〜１６１０ｎｍ帯域のほとんどでファイバー伝送を支援しないであろう。１６１０〜１７１０帯域を増幅する同一の増幅器ステーションも、１５１０〜１６１０帯域を増幅するものであろう。後者の帯域で適正操作を行うには、現在必要とされるものと同一の１２５キロメートルの増幅器間距離の維持が必要になるであろう。したがって、唯一の使用可能な改良は、シグナルを伝送しうる使用可能な帯域幅を広げることであろう。言い換えれば、Ｓｉ−３０によるＳｉ−２８の置換えおよびＯ−１８によるＯ−１６の置換えは、実際には導波路損失の減少に起因するいかなる節約をも可能にしない。また、たとえ帯域を広げても（１６１０〜１７１０領域を含めても）、おそらく、波長分割多重（ＷＤＭ）シグナルが１５１０〜１６１０帯域幅のすべてをすでに占有するリンクでのみ有益であるにすぎないであろう。
【０００８】
同様に、米国特許第６，４９０，３９９号明細書中の特開昭６０−９０８４５号公報の特許抄録の参照には、−ＯＤ基よる既存の−ＯＨ基の置換えにより吸収帯域（１４００ｎｍを含む）を１７１０ｎｍよりも長いかなり長波長にシフトさせるべく多孔性ＳｉＯ２プリフォームのジュウテリウムリンスを利用する方法が記載されている。それにもかかわらず、部分的には米国特許第３，９３３，４５４号明細書の第７欄第１〜８行、第６８行に記載のＣｌ２処理の継続的改良により、ファイバー製造業者が−ＯＨ含有率減少の良好な成果をすでに挙げているので、その技術は「高コスト」であると記載されている。
【０００９】
しかしながら、これは、とくに１４００ｎｍの−ＯＨ吸収スペクトル（図２参照）が「レイリー散乱」最小線（図３参照）と比較して十分に低いことを単に意味するにすぎないので、さらなる改良を行っても有益でないと思われる。本発明は、Ｓｉ−２９濃度を１／５０〜１／１００またはそれ以下まで大幅に減少させることにより（部分的には）、「レイリー散乱」最小強度を大きな関連量だけ大幅に減少させる効果を有するので、特開昭６０−９０８４５号公報に記載のジュウテリウム（Ｄ２）リンスでさらなる有用性をもたらしうるであろう。
【００１０】
したがって、Ｓｉ−２９を減少させる本発明の一実施形態では、おそらく、ジュウテリウム（Ｄ２）リンスさらにはＳｉ−３０によるＳｉ−２８の置換えまたはＯ−１８によるＯ−１６の置換えまたはその両方からさらなる予想外の利点が得られるであろう。これらの改変を完全に行えば、約０．０１ｄｂ／ｋｍ以下の損失で少なくとも１２３０ｎｍ〜約２０００ｎｍの伝送帯域幅を有する光導波路をもたらしうるので、増幅器ステーションを用いずにまたは多くとも１つの増幅器ステーションを用いて大西洋横断伝送を達成することが可能である。
【００１１】
この試みにより、「ＩＲ吸収」を表す線がこれらのグラフの右方向にシフトされた（図４および５参照）。これは、「ＩＲ吸収」と「レイリー［散乱］」と「ＵＶ」との和のわずかな低減により最小吸収の減少を引き起こし、得られる伝送帯域幅をやや広げる効果を有していた。
【００１２】
しかしながら、本発明は、「ＩＲ吸収」線だけでなく実際には「レイリー散乱」線にも作用する。「レイリー散乱」と表示された図１０の長い斜線を参照されたい。
【００１３】
Ｓｉ−２９散乱中心量を「１／Ｘ」に減少させると、「レイリー散乱」線強度は「１／Ｘ」〜「１／平方根Ｘ」の範囲内に減少するであろう。このため、Ｓｉ−２９濃度を１／３３に減少させた場合、レイリー散乱効果に基づく減衰量は、１／３３〜１／平方根３３（約５．９）に減少するであろう。これにより、１３１０ｎｍ帯域さらには約１６５０ナノメートルまでの波長で総減衰量が劇的に減少する。
【００１４】
当然ながら、米国特許第６，８１０，１９７号明細書の特徴の一部を組み合わせると、すなわち、コアおよびコア近傍クラッディング領域の両方でＯ−１６をＯ−１８で置き換えかつＳｉ−２９同位体比率を１／１００（０．０４６７％Ｓｉ−２９原子／原子）に劇的に減少させると、それらが相まって光導波路を通る信号伝達に起因する総減衰量が顕著に減少する。
【００１５】
米国特許第６，８１０，１９７号明細書の著者らは、有用な利点を提供するには、非同位体改変ファイバー中に通常存在するであろう酸素−１６の大部分を酸素−１８および少なくともいくらかのＯ−１７同位体で同時に置き換える必要があると思っていた。たとえば、米国特許第６，８１０，１９７号明細書の請求項１、３、４、および９を参照されたい。
【００１６】
これとは対照的に、本発明は、Ｏ−１７同位体の有無を特定しているが、米国特許第６，８１０，１９７号明細書または他の特許もしくは出願の請求項とオーバーラップするよりも十分に低い比率である。
【００１７】
光ファイバー導波路の設計技術を熟知している者、すなわち、光ファイバー科学技術者であれば、所与の伝送波長およびコア直径に対して、シングルモード伝送媒体としてまたは他の選択肢のマルチモード伝送媒体として機能させるのに必要な屈折率差を規定することが可能であろう。
【００１８】
溶融シリカの屈折率は、達成されるＳｉ−２９同位体比率の減少に依存して、約１．４６の天然同位体分布値から１．００００までの実質上任意の値に調整しうる。したがって、屈折率が１．０１５および１．００５である以上の例は、例示的なものであり限定されるものではない。
【００１９】
米国特許第６，１２８，９２８号明細書には、光ファイバーのクラッディング領域または内側クラッディング領域に添加された少量の酸化ゲルマニウムドーピングの抗遊離酸素効果が記載されている。しかしながら、それに関連して、Ｇｅ−７３同位体（米国特許第６，１２８，９２８号明細書の著者は、それが屈折率上昇効果の源の大部分であることを認識していない）の屈折率上昇効果は、欠点である。本発明の発明者は、その代わりに、屈折率を上昇させることなく米国特許第６，１２８，９２８号明細書と同一の利点を得るべく、Ｇｅ−７３同位体原子以外のゲルマニウム原子のみ（またはその大部分）の添加を特定する。米国特許第６，１２８，９２８号明細書の著者は、天然同位体サンプルの代わりに酸化ゲルマニウムの同位体改変サンプルを使用しうる可能性を明らかに予想していなかった。
【００２０】
本発明の発明者は、１９７７年の秋にＭＩＴで「８．０３」と番号付けられた物理学コースを受けて、光学および導波路の原理を熟知していた。（
【００２１】
２００７年の初めに、本発明者は、光ファイバーの構築および使用の非常に高度な技術的側面に関する１９７９年の本を読む機会を得た。２００８年１１月／１２月に、本発明者は、Ｃｏｒｎｉｎｇ  Ｇｌａｓｓ  Ｗｏｒｋｓ対Ｓｕｍｉｔｏｍｏ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｕ．Ｓ．Ａ．の６７１Ｆ．Ｓｕｐｐ１３６９（Ｓ．Ｄ．Ｎ．Ｙ．１９８７）の地方裁判所判例および８６８Ｆ．２ｄ１２５１（Ｆｅｄ．Ｃｉｒ．１９８９）の連邦巡回控訴裁判判例の両方を読む機会を得た。これは、光ファイバー研究の歴史の非常に広範にわたる考察およびその構築および設計に関する詳細を提供した。
【００２２】
本発明者はまた、偶然、全部で約２５６種の各元素の天然に存在する同位体のリストを取得した。ケイ素は、約９２％Ｓｉ−２８、４．６７％Ｓｉ−２９、および３．１％Ｓｉ−３０からなる。ゲルマニウムは、約７．８％Ｇｅ−７３である。所与の核種（同位体核）は、奇数のプロトンまたは奇数の中性子のいずれかを有する場合、「スピン」（実際には「電磁スピン」）と呼ばれる性質を有する。したがって、ケイ素の同位体のうちＳｉ−２９（４．６７％原子／原子）のみが「スピン」を有し、かつＧｅ−７３（７．８％原子／原子）のみが「スピン」を有していた。
【００２３】
「スピン」は、単一不対核子の存在状態が維持されるという事実により引き起こされる永久的揺らぎであると考えられうる。それにより、（正荷電）核の振動が引き起こされて、その核は小さな棒磁石のように挙動する。このスピンは、核磁気共鳴分析（最も一般的には水素−１原子が用いられる）および磁気共鳴イメージングに使用可能である。同位体はまた、化学反応機構を追跡すべく「トレーサー」として使用されることもある。
【００２４】
Ｃｏｒｎｉｎｇの判例を読むことにより、本発明者は、シリカ（ＳｉＯ２）への約８％（重量／重量）のゲルマニア（ＧｅＯ２）の添加が純粋シリカの屈折率（１．４５８４）を約１．４６６まで上昇させる効果を有することを知った。しかし、本発明者には、なぜそうなるのか不思議であった。本発明者は、次のことに気が付いた。ケイ素原子がわずか４．６７％しかスピンを含有しておらず、かつ交換ゲルマニウム原子が７．８％Ｇｅ−７３であったので、材料でさえも空気の屈折率または真空の屈折率（１．０００）よりも大きい屈折率を有することの根底にある理由が電磁スピン含有原子の存在であると本発明者は考えた。そして、本発明者が正しかったことが判明する。そのときでさえも、本発明者は、屈折率に対して所与のＧｅ−７３原子が全体としてＳｉ−２９原子よりも大きい効果を及ぼすかを本発明者が知らないことがわかったが、それは、本発明者がそのとき答えられなかった疑問であった。
【００２５】
しかし、シリカが１．０００を超える屈折率を有することの根底にある理由がＳｉ−２９でありうると気付いてから、以下のようないくつかの考えが次々と導かれた。
１．シリカにＧｅＯ２を添加するのではなくシリカにＳｉ−２９を添加すれば、その屈折率をクラッディング領域の屈折率よりも増加させることが可能である。
２．クラッディング領域のＳｉ−２９同位体原子比率をコア中よりも増加させるのではなく低減させれば、機能的光導波路にするのに必要な屈折率差を生成することが可能である。
【００２６】
これらの考えはいずれも興味深いが、光ファイバー製造業に利点のわずかな増加を提供するにすぎないであろう。いずれの考えも、ゲルマニアドープ光ファイバーよりもわずかに光損失を減少させるであろうが、いずれの場合も、速度因子は、既存の光ファイバーに特有なｃの６８％近傍に維持されるであろう。
【００２７】
大きな疑問は、コアおよびクラッディングの屈折率をどれくらい低くしてもコアおよびクラッドが依然として導波路として機能するかということであった。これまで知られているかぎり、唯一の限界は、クラッディング材料の屈折率を真空と同一の値である１．００００の値に低減することが不可能であるということであった。また、そのようなクラッディングを用いた場合、コアは、おそらく、約０．００８大きい屈折率を有していなければならないであろう。したがって、それは１．００８０であろう。
【００２８】
得られるファイバーは、１／１．００８またはｃの９９．２％の速度因子を有するであろう。本発明者は、０．６８の既存の速度因子から０．９９近傍に信号を加速可能であれば光ファイバーの使用者に非常に有益であることに気付いた。本発明者は、ｃの９８〜９９％の速度因子を有する光ファイバーの本発明に気付いていなかった。
【００２９】
しかし、これは、驚くべきことではなかった。なぜなら、種々の元素の同位体の必要性がほとんどでなく、科学工業で同一の元素の同位体を分離するごくわずかな試みを行うだけでよいからである。
【００３０】
化学分野では、化学反応を解析すべく、トレーサー（安定）同位体タグ付け化学物質が使用されることがある。
【００３１】
２０００年の初期に、まさに安定同位体増強という主題の３つの特許が認可された。１つは、Ｄｅｕｔｓｃｈｅ  Ｔｅｌｅｋｏｍの特許、２つは、Ｃｏｒｎｉｎｇの特許であった。しかし、改変に関して論じられた同位体比率は、Ｓｉ−２８対Ｓｉ−３０またはＯ−１６対Ｏ−１８およびより少量の範囲内でＯ−１６対Ｏ−１７にすぎなかった。Ｓｉ−２９だけは、考慮されていなかった。
【００３２】
必要な同位体改変前駆体（ＳｉＣｌ４、四塩化ケイ素）の生成機構は、すでに存在する。「Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｋｉｌｏｇｒａｍ  Ｐｒｏｊｅｃｔ」（Ｇｏｏｇｌｅ「Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｋｉｌｏｇｒａｍ  Ｓｐｈｅｒｅ」）を参照されたい。彼らは、ロシアのガス遠心分離機でケイ素含有前駆体（おそらく、シラン（ＳｉＨ４）または四フッ化ケイ素（ＳｉＦ４）のいずれかであった）を分離し、その後、それを単結晶ケイ素に変換した。その代わりに、本発明は、Ｃｏｒｎｉｎｇが１９７６年に特許化したのと同一のタイプの光ファイバー製造プロセスへの投入物として直接使用可能である、ＳｉＣｌ４に変換されるシランまたは四フッ化ケイ素を必要とする。
【００３３】
屈折率を大幅に減少させた光伝送性材料および導波路の開発は、光学技術分野で大きな改良をもたらし、光学技術者の長年にわたる切実な要求を満たす。
【発明の概要】
【００３４】
本発明は、１．４５８４の天然の値未満の任意の屈折率を有するシリカ（ＳｉＯ２）の同位体改変物である。これは、天然同位体比率のシリカがｃの（１／１．４５８４）の速度で光を伝送することを意味する。ただし、ｃは、真空中の光の速度として定義される。（定義によれば、真空は、正確に１．００００の屈折率を有する。）真空中の光の速度は、約２９９，７００キロメートル／秒である。光は、約０．９９９ｃで空気中を移動する。図１に示されたグラフは、１９８９  ｉｓｓｕｅ  ｏｆ  Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ  Ｂｒｉｔａｎｎｉｃａ，Ｍａｃｒｏｐｅｄｉａ，Ｖｏｌｕｍｅ  ２３，ｐａｇｅｓ  ６６５−６６６からの抜粋である。示された最も薄いかつ最も暗い領域は、１８８０年に利用可能であった光学ガラスに対応する。約１．４５未満の屈折率を有する公知のガラスは、１８８０年に利用できなかったことがわかる。１９３４年までに、１．４０程度の低い屈折率を有するガラスを含む点まで技術が進歩してきた（「通常の光学品」と表示された陰影なしの領域を参照されたい）。
【００３５】
グラフの残りの部分（薄いティント処理部分）は、「１９３４年以降に開発された」いろいろな種類のガラスを示している。これらのうち、「フッ化リン酸塩」ガラスおよび「フッ化物」ガラスは、約１．３２の屈折率を有する領域を含む。現在入手可能なガラスが１．４５８４よりもそれほど低い屈折率を有していない理由は、概して、それらが天然同位体比率のシリカで作製されることにある。言い換えれば、それらが含有するＳｉ−２９の量は、天然のすべてのケイ素原子の４．６７％（原子／原子）である。本発明者は、シリカの屈折率が１．００００よりも大きいという事実の原因がほぼ完全にＳｉ−２９（およびはるかに小さい割合でＯ−１７）にあることを見いだした。科学技術者は、同位体比率改変材料を実質上見ていないので、このことを理解していない。彼らが見るシリカは、常に４．６７％（原子／原子）のＳｉ−２９比率を有する。０．２０％Ｓｉ−２９原子／原子の同位体比率を有していれば、１．０２の屈折率を有するシリカを作製することが可能である。０．１０％Ｓｉ−２９原子／原子の同位体比率を有していれば、１．０１の屈折率を有するシリカを作製することが可能であり、他の場合も同様である。効果は正確に直線的ではなく、これらの値は、例示を目的として選択したものであった。
【００３６】
より特定的には、本発明は、ケイ素同位体Ｓｉ−２９がさまざまな同位体比率で存在する、通常はそれが大幅に枯渇したシリカを含む光導波路に関する。Ｓｉ−２９の同位体比率を天然で通常見いだされる４．６７％（原子／原子）から約１／５０（約０．０９３％Ｓｉ−２９同位体比率）に劇的に減少させると、約１．０１０の屈折率を有する溶融シリカが得られるであろう。これは、天然同位体比率の溶融シリカに存在する１．４６の屈折率とは対照的である。本発明の目的は、以下のものを含めて、とくに導波路性能が改良された光導波路を提供することである。
１．通常は１．４６の屈折率を有するシリカに関連付けられる０．６７（１／１．４６＝０．６７）の値をはるかに超える値に設定可能な信号速度因子。この速度因子は、少なくとも０．９９５まで調整可能なはずであり、このことは、光信号がｃの９９．５％の速度でコア領域を通過することを意味する。光は、約０．７５０ｃで純水中を移動する。光は、ｃの約６６％で通常型ガラス中を移動する。したがって、データ信号は、通常の従来技術の光ファイバー中の速さの約１．５倍の速さで移動できるであろう。
２．ゲルマニアドープシリカファイバーで通常見られる０．１９１〜０．２００ｄｂ／ｋｍからの、さらにはアンドープコアシリカファイバーで典型的に見られる０．１６０ｄｂ／ｋｍからの、光損失の非常に大きな減少。この減少は、少なくとも１／５になるであろう。また、すべての同位体改変を追加すれば、おそらく１／５０よりもかなり小さくなるであろう。後者の値が達成された場合、したがって、０．００３２ｄｂ／ｋｍの損失値が達成された場合、中間再増幅を２回もしくは１回行ってまたはまったく行わずに、大西洋を横断してファイバー信号を伝送することが可能である。レイリー散乱のこの減少は、５００ｎｍ〜１６５０ｎｍの帯域のほとんどにわたるであろう。
３．色分散およびパルス広がりの大幅な減少は、４００〜７００ｎｍの可視波長のほとんど、さらには７００〜１６５０ｎｍの赤外波長のほとんどを含めて、光損失の減少に対応する。
【００３７】
一実施形態では、クラッディングの屈折率を約１．００５に減少させることと、１．０１５のコアの屈折率と、を組み合わせれば、約０．９８５の速度因子がもたらされるであろう。このことは、データ信号が真空中を移動する光の速度の約９８．５％の速度で移動することを意味する。この特定の実施形態では、コアとクラッディングとの屈折率差は、少なくとも以下の４つの機構により達成される。
１．コア領域のシリカのＳｉ−２９同位体比率を約４．６７％／３０に減少させると同時に、クラッディング領域のＳｉ−２９同位体比率を約４．６７％／１００に変化させる。
２．コア領域およびクラッディング領域の両方のＳｉ−２９同位体比率を約４．６７％／１００に減少させると同時に、いくらかのＧｅ−７３同位体（またはより多くの比率の天然同位体ゲルマニア）を添加して屈折率を１．０１５に増加させる。
３．コア領域およびクラッディング領域の両方のＳｉ−２９同位体比率を約４．６７％／１００に減少させると同時に、適正導波路作用を維持するのに十分なレベルにコアの屈折率を上昇させるのに十分な程度に、天然に見いだされる０．０３８％の比率よりも大きい比率の酸素−１７同位体原子を添加する。
４．コア領域およびクラッディング領域の両方のＳｉ−２９同位体比率を約４．６７％に減少させると同時に、適正導波路作用を維持するのに十分なレベルにコアの屈折率を上昇させるのに十分な程度に、酸素−１７同位体およびゲルマニウム−７３同位体の両方（または酸素−１７同位体原子および有意同位体比率のゲルマニウム−７３を含有するいくらかのゲルマニアの両方）をコア領域量で添加する。
【００３８】
他の実施形態では、コア領域およびクラッディング領域に対する屈折率の設定値は、異なる値に設定されるが、その差が導波路の動作を行うように機能する関係を維持する。それらは、たとえば、１．０４のコア屈折率および１．０３のクラッディング屈折率に設定されうる。
【００３９】
この選択は、前駆体材料の同位体サンプルを精製する必要性を軽減する。コア領域は、Ｓｉ−２９含有率を天然サンプル中に見いだされる４．６７％原子／原子の１／１２に減少させたケイ素原子で作製することのみが必要であるにすぎず、一方、クラッディング領域は、Ｓｉ−２９含有率をＳｉ−２９同位体原子の４．６７％原子／原子の１／１７に減少させたケイ素原子で作製することのみが必要であるにすぎない。
【００４０】
さらに他の実施形態では、コア領域およびクラッディング領域は両方ともほぼ全部が、Ｇｅ−７３同位体原子の通常比率をそれぞれ１／１００および１／３００（それぞれ以上の項目１に類似した７．８％／１００および７．８％／３００原子／原子）に減少させるべく同位体改変されたゲルマニア（ＧｅＯ２）から構築される。同様に、他の実施形態では、コア領域およびクラッディング領域は両方ともほぼ全部が、Ｇｅ−７３の通常比率を１／３００（７．８％／３００）に減少させるべく同位体改変されたゲルマニアから構築されるが、コアの屈折率は、Ｓｉ−２９原子もしくはＯ−１７同位体原子またはその両方の少量のドーピングを追加することにより上昇させる。
【００４１】
他の実施形態では、利用しなければならない同位体改変材料の量を低減すべく、コア領域は、内側クラッディング領域により直接取り囲まれるように、次いで、外側クラッディング領域により取り囲まれるように、構築され、外側クラッディング領域で利用される材料は、Ｓ９−２９同位体がより少ない程度まで枯渇されうる。たとえば、コアは、１．０１５の屈折率に設定されうるし、内側クラッディングは、１．００５の屈折率に設定されうるし、さらに外側クラッディングは、地球上のサンプル中に見いだされる天然同位体比率に見られるこれらの種の４．６７％原子／原子（Ｓｉ−２９に対して）または７．８％原子／原子（Ｇｅ−７３に対して）の比率と同一のまたはそれにより近いＳｉ−２９（または他の選択肢としてＧｅ−７３）の同位体比率で作製されうる。この構築方法は、利用される材料のコストを最小限に抑える傾向があろう。しかしながら、この技術では、許容可能な比率を超える光が外側クラッディング領域中に「漏れる」ことによりファイバーの総減衰量を増加させることがないように、内側クラッディング／外側クラッディング境界の直径は、コア／内側クラッディング境界の直径よりも十分に大きくなければならないことに留意されたい。光ファイバーの科学技術分野の当業者であれば、損失を許容レベルに低減するのに十分な程度に内側クラッディング領域の外径がコア領域の直径よりも大きいことを数学的に予測し、実験により個別に確認することが可能であろう。
【００４２】
同位体改変材料の源
シリカは、Ｓｉ−２９同位体原子が枯渇したケイ素含有前駆体から誘導される。これらのケイ素含有前駆体は、少なくとも以下の３つのタイプでありうる。
１）Ｓｉ−２８同位体原子の同位体比率が約９９．５％原子／原子まで増強され、かつＳｉ−３０同位体原子が非常に少量または無視しうる量まで枯渇している。そのような同位体分布は、軽い分子ＳｉＦ４またはＳｉＨ４を選択するガス遠心分離機の排出物から期待可能である。
２）Ｓｉ−３０同位体原子の同位体比率が約９０％原子／原子まで増強され、かつＳｉ−２８同位体原子が１０％以下まで枯渇している。これもまた、重い分子を選択するガス遠心分離機の排出物であろう。
３）Ｓｉ−２９同位体原子の同位体比率が４．６７％原子／原子の天然比率から枯渇しているが、それ以外ではＳｉ−２８およびＳｉ−３０の同位体原子の相対比率が大幅に異なることはない。
【００４３】
これらの各例では、Ｓｉ−２９比率は、堆積されたままのシリカ材料の特定の屈折率を達成すべく計算された値に設定される。
【００４４】
典型的な好ましい実施形態では、約０．１％Ｓｉ−２９同位体原子を含むケイ素原子の同位体分布を有するシリカを利用すると、以上の項目２の９０％＋Ｓｉ−３０同位体成分と９９．５％Ｓｉ−２８同位体成分との主要差は、１６００ｎｍを超える波長のＩＲ信号伝送の広い通過帯域をもたらすだろう。広がる透過スペクトルおよび損失値の特定の程度は、ファイバー構築前に容易に予測することはできないが、とくに０．１ｄｂ／ｋｍを十分に下回る損失では、これらの追加の使用可能な周波数が従来の光導波路技術により予想されてこなかったことは、理解されよう。また、これらの追加の使用可能な周波数は、提供も予見もされてこなかったものであり、超低損失伝送に起因して同等に使用可能な約１４００ｎｍからの伝送帯域により達成されたものであることも理解されよう。
【００４５】
本発明の他の目標および目的の認識ならびにそのより完全かつより網羅的な理解は、添付の図面を参照することによりおよび本発明を実施する最良の形態の以下の説明を調べることにより、達成されうる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】図１は、一連の光学ガラスの屈折率ｎ対収斂性νのグラフである。Ｇｌａｓｓ  ｉｎ  Ｍｏｄｅｒｎ  Ｗｏｒｌｄ  ｂｙ  Ｆ．Ｊ．Ｔｅｒｅｎｃｅ  Ｍａｌｏｎｅｙ，１９６８，Ｄｏｕｂｌｅｄａｙ  ＆  Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｉｎｃ．から抜粋。
【図２】図２は、国際公開第２００３／０００２８３４号パンフレットの図１の再現である。
【図３】図３は、米国特許第６，４９０，３９９号明細書の図１の再現である。
【図４】図４は、米国特許第６，８１０，１９７号明細書の図４の再現である。
【図５】図５は、米国特許第６，８１０，１９７号明細書の図５の再現である。
【図６】図６は、米国特許第６，８１０，１９７号明細書の図９の再現である。
【図７】図７は、米国特許第６，８１０，１９７号明細書の図１２の再現である。
【図８】図８は、米国特許第６，８１０，１９７号明細書の図１０の再現である。
【図９】図９は、米国特許第６，８１０，１９７号明細書の図１１の再現である。
【図１０】図１０は、米国特許第６，８１０，１９７号明細書の図２の再現である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
本発明の利点
Ｓｉ−２９含有率を天然の４．６７％原子／原子から約０．０１％さらにはそれ以下に減少させることにより、１．００１程度の小さい屈折率を有するガラス材料が入手可能であるので、導波路のコアの屈折率は、約１．００１〜１．００２が可能であり、したがって、そのファイバーを介して伝送される信号の「速度因子」は、少なくとも（１／１．００１）またはｃの９９．９％程度に高くすることが可能である。
【００４８】
既存の光ファイバーケーブルは、典型的には、約（１／１．４７）または「ｃ」の６８％の速度因子で動作する導波路を利用する。信号は、ニューヨークとロンドンとの間のケーブル長である約６，０００キロメートルの距離を約３６ミリ秒以内の一方向遅延で伝送可能である。より直線状かつより直接的になるように設計された現在提案されている経路を利用しても、５０００のケーブル距離および３０ミリ秒の一方向遅延が、現在の技術により提供可能な最小のものである。
【００４９】
しかしながら、このファイバーをこれまでの典型的な６８％の値ではなく９９．５％の速度因子を有するファイバーに変えると、より長い経路で３６ミリ秒の約２／３すなわち２４ミリ秒の一方向遅延が得られる。通常のケーブルを用いたときに３０ミリ秒の一方向遅延を有すると予測されるより短い経路でそのより高速のファイバーを使用すると、３０ミリ秒の２／３すなわち２０ミリ秒の一方向遅延が得られるであろう。
【００５０】
この種の信号遅延差は、リアルタイムインタラクティブビデオ、サーバーレスポンス、データベースルックアップ、インターネットゲーム、および待ち時間の短い電話通信一般にきわめて重要である。また、それにより、データベースおよび他のサーバーを同一の遅延でユーザーからさらに離れた位置に置くことが可能なる。
【００５１】
証券取引所などの金融市場は、とくに影響を受けるであろう。各方向で数ミリ秒の追加の遅延を生じると、大量株式取引企業は、毎月何千万ドルものがコストがかかる可能性がある。ニューヨークとロンドンとの間で遅延が２／３に減少すると、またはニューヨークとロサンゼルスとの間で３６ミリ秒から２４さらには２０ミリ秒に減少すると、一国だけでなく最終的には全世界がより密接に結ばれるであろう。
【００５２】
インターネットゲームは、他の用途である。現在、たとえば、ニューヨークおよびオーストラリアのシドニーに位置する２つのユーザーは、（味気ない）ディジタルコンバットでロックされ、それらのコンピューターは、相手が行った１００ミリ秒後にわかるにすぎない。こうした遅延は、小さいことのように思われるが、かなり目立ち、ゲームの流れに実質的な影響を及ぼす。一方向リンク遅延が１００ミリ秒から６７ミリ秒に２／３に減少すると、理論上可能な最小遅延が提供されるであろう。
【００５３】
光損失上の利点
約１５６０ｎｍの損失最小における純粋シリカコア導波路の最小光損失は０．１５１ｄｂ／ｋｍであると、長い間認識されてきた。これは、Ｓｉ−３０によるＳｉ−２８の置換えおよびＯ−１８によるＯ−１６の置換えにより、やや変化した。しかし、０．１０ｄｂ／ｋｍ未満に改良することは、依然として達成困難であるように思われるとともに、高価であると考えられる。
【００５４】
本発明は、Ｓｉ−２９を１／５０、１／１００、またはそれ以下に減少させることにより、光損失を１／１０に、場合により１／１００以下に減少させる。これにより、５０００キロメートル以上の無中継器間隔を達成することが可能である。
【００５５】
光学帯域幅増加の利点
本発明によれば、１５１０〜１６１０ナノメートルの現在の光学帯域幅は、少なくとも１４５０ｎｍ〜１８００ｎｍ、場合により１２３０ｎｍ〜２０００に増加される。これらの波長のいくつかを完全に利用するには、好適なトランスミッターレーザーおよび検出器の製造が待たれるが、この新しい伝送領域の大部分は、ほぼ即時に利用できるはずである。いずれの場合も、この新しい容量のファイバーは、即座に設置可能であり、伝統的な１５１０〜１６１０帯域で動作可能であり、周波数帯域は、レシーバーおよびトランスミッターが利用可能になったときに拡張可能である。
【００５６】
しかしながら、追加の帯域幅を増幅する（存在する場合）ファイバーにマッチした増幅器を用いなければ、米国特許第６，８１０，１９７号明細書のように、たとえば１６１０〜１７１０ｎｍの帯域を含むように１５１０〜１６１０ｎｍの光ファイバーの伝送帯域幅を単に増加させることができるだけでは、ほとんど価値がない。エルビウムに基づくファイバー増幅器は、約１５２０〜１５６５ｎｍの帯域幅領域で増幅し、これを主伝送領域にする。各増幅器でそのような信号を検出して再伝送することが可能であろうが、これは高価であり、追加の帯域幅を価値のないものにする。より大きい容量を達成すべく追加のファイバーを単に設置するほうが安価であろう。
【００５７】
その代わりに、この帯域幅が利用可能になるだけでなく、約０．０１〜０．０２ｄｂ／ｋｍの損失で利用可能であれば、さらに広い帯域が利用可能であり、しかもいかなるファイバー増幅器もまったく用いない（または大西洋のほぼ中央で多くとも１つの検出・再伝送増幅器を用いる）。
【００５８】
本発明を利用することにより使用可能な帯域幅は、約１４３０〜１７５０の約３２０ｎｍであり、Ｓｉ−２８対Ｓｉ−３０およびＯ−１６対Ｏ−１８の通常の同位体分布を使用した場合の１５２０〜１５６５ｎｍ帯域の４５ｎｍの７倍である。ほぼすべてのＳｉ−３０さらにはほぼすべてのＯ−１８を利用することにより、利用可能な帯域幅は、１５２０〜１５６５ｎｍ帯域の約１３倍である１４３０〜２０００ｎｍすなわち５７０ｎｍに増加する。
【００５９】
劇的に低減された材料由来分散因子
導波路材料中のＳｉ−２９同位体原子比率を大幅に減少させると、それに応じて製造時の光導波路の総分散が大幅に減少するであろう。図６および７を参照されたい。導波路自体に帰属可能な分散部分（図８参照）は、おそらく同じ状態を維持するであろう。また、プロファイル分散は、他の同位体改変プロセスの終了後に残存しうるいずれの残留総分散も相殺するように選択可能である。光ファイバー導波路の設計技術を熟知している者であれば、所望の分散レベルを達成するコア対クラッディングの種々の置換えを規定できるであろう。
【００６０】
本発明は、コア領域およびクラッディング領域のＳｉ−２９同位体比率を大幅に減少させる（Ｓｉ−２９比率を存在するすべてのケイ素原子の天然の４．６７％原子／原子の約１／３〜１／１００に減少させる）ことにより、図９から類推される「Ｏ−８コア／Ｏ−１６クラッド」と合わせて（プロファイルＤ）、図６から類推される「材料Ｄ［分散］（コア）」の値の曲線からの大幅な変化および図８から類推される「導波路Ｄ［分散］」の曲線のごくわずかな変化（もしあれば）をもたらす再設計光導波路に関する。
【００６１】
言い換えれば、図９の線４の単調増加直線は、部分的には、図８の線１〜４の単調減少直線を補償するであろう。これらの値の加算残差は、図６の線４に類似したＳｉ−２９減少曲線と組み合わせうる。この組合せは、米国特許第６，８１０，１９７号明細書のものよりもはるかに穏やかな傾斜であることが期待できる。
【００６２】
図７の「全Ｄ［分散」］に類似した賢明に選択された総分散は、「材料分散］」と「導波路Ｄ［分散］」と「プロファイルＤ［分散］」との線形和になるであろう。また、これは、図７に示される通常の同位体「Ｏ−１６コア／Ｏ−１６クラッド」での１．６ミクロンの波長における約２０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの値から非常に大幅に減少した１．０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ未満の値でありうる。
【００６３】
光ファイバー導波路の科学技術者は、分散補償ファイバー（ＤＣＦ）の必要および使用に長期にわたり慣れ親しんできた。比較的短い長さ（典型的な光導波路リンクに存在する何百キロメートルまたは何千キロメートルと比較して）で使用されるこれらのファイバーの目的は、所与の光信号のさまざまな波長部分の到着時間の変化に対処すること、つまり、その影響を打ち消して完全にもしくは部分的に相殺することである。それらの使用は、所与の実際のデータリンクにより搬送可能な最大ビットレート（技術的にはシンボルレート）を達成できるようにするために重要でありうる。その理由は、所与のビットを構成する光信号の移動の到達時間が分散により時間とともに不鮮明になる傾向があることにある。
【００６４】
たとえば、４０Ｇビット／秒（４００億ビット／秒）のシンボルレートは、各光信号シンボル中に１ビットが存在する場合、（１／４０，０００，０００，０００）ビット時間＝２５ピコ秒を意味する。この速度４０Ｇビット／秒は、ごく最近設置された（またはアップグレードされた）データリンクで利用される商業的に利用可能な最高速データ転送速度である。しかし、ビット（シンボル）が時間とともにたとえば５０ピコ秒以上に広がった場合、２５ピコ秒の最小信号時間を検出可能な光検出器を有していても、役に立たない。フーリエの法則によれば、４０Ｇビット／秒の信号の光波長帯域幅は、最小約０．３ナノメートルになるので、２０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの分散を有する従来の非補償ファイバーでは、約４キロメートルのファイバー長さの後、２５ピコ秒の時間で分散に起因する不鮮明さを生じる。したがって、短い距離のファイバーでさえも、４０Ｇビット／秒を維持できるようにするには、この分散を補償することが不可欠であることがわかる。
【００６５】
光ファイバー分散の大部分は、現在、分散補償製品を用いて補償されているが、そのような補償はいずれも、その完全性が１００％未満に限られる傾向がある。したがって、主ファイバーがより良好になるほど（そのベースライン分散がより低下するほど）、最終的な補償時光リンク分散がより良好になることが期待できる。天然の非補償ファイバー分散を１／１０以下に減少させるという本発明の可能性は、類似の補償時信号分散の改良の可能性を提供する。
【００６６】
本発明は米国特許第４，４３５，０４０号明細書の技術を利用しうる
本発明を用いて構築された光導波路はまた、特定の注意および変更を行って米国特許第４，４３５，０４０号明細書に記載のダブルクラッドプロセスを利用できることが期待される。最初に、既存技術の導波路では、コアおよびクラッディングが天然同位体分布のシリカの１．４６に非常に近い屈折率を有することに留意すべきである。そのような導波路の光信号の物理的波長は、たとえば、１５１０ナノメートルを１．４６で割り算した値すなわち約１０５０ナノメートルである。これとは対照的に、屈折率が約１．０１である導波路では、その導波路の物理的波長は、１５１０ナノメートル／１．０１すなわち約１４９５ナノメートルである。導波路内の波の挙動は、光波に対する導波路のサイズに基づくので、コアやクラッディングなどの導波路要素の寸法は、他のすべてが等しい既存技術のファイバーの約１．４６／１．０１分の１すなわち１．４５分の１のサイズになることが期待できる。
【００６７】
たとえば、米国特許第４，４３５，０４０号明細書では、２×４ミクロンすなわち８ミクロンよりも大きい有効コア直径が特定されているが、これは、８ミクロン×１：４５すなわち約１１．６ミクロンのコア直径であると解釈されるであろう。同様に、米国特許第４，４３５，０４０号明細書では、コア半径と内側クラッディング半径との間で約０．５〜０．８倍の差異が特定されているが、そのような倍数で１１．６ミクロンに対して計算すると、内側クラッディングのＯＤは、約２３．２ミクロン〜１４．５ミクロンになる。
【００６８】
また、米国特許第４，４３５，０４０号明細書では、外側クラッディング領域の厚さは、コア半径の約６〜８倍以上、すなわち（６〜８）×（５．８ミクロン）、すなわち３４．８〜４６．４ミクロンでなければならないと予測しており、このことから、外側クラッディング領域のＯＤは、１１．６＋２（３４．８〜４６．６）、すなわち８１．２〜１０４．８ミクロンになるであろう。それにもかかわらず、外側クラッディング領域の外側は、他のクラッディング領域、おそらく、通常のシリカの屈折率すなわち１．４６と等しい屈折率を有するものにすることが可能である。
【００６９】
他の注意点は、米国特許第４，４３５，０４０号明細書のような多くの特許が、材料の屈折率の変化パーセントが、たとえば、天然同位体シリカの値すなわち１．４６に近いと予想しうる値の「０．１％〜０．６％」であると言及している点である。これは、０．１％×１．４６の変化すなわち０．００１４６の差〜１．４６の０．６％すなわち約０．００８７６であると解釈される。
【００７０】
しかし、Ｓｉ−２９含有率を大幅に減少させるように、たとえば、Ｓｉ−２９の天然の４．６７％原子／原子の約１／１００に減少させるように、したがって、約１．００５の屈折率になるように、シリカ材料を同位体改変した場合、その値（１．００５）を０．００８７６減少させることはできない。実際の均一材料の屈折率は、真空の屈折率すなわち１．００００を下回ることはできない。したがって、屈折率に関する変化パーセント（たとえば、「０．１％〜０．６％）をそのまま利用することはできないので、意図されたと思われる１．０００の屈折率を上回る屈折率の数値差を反映するように解釈しなければならない。光導波路設計の当業者であれば、１．４６近傍の屈折率の材料に対してもともと意図された原理を１．００にかなり近い屈折率の新しい材料に適用すべく首尾よく解釈可能であることが期待できる。
【００７１】
Ｓｉ−２９同位体原子の同位体比率の関数としての溶融シリカの屈折率
以上に述べたように、シリカの屈折率は、ケイ素−２９の同位体パーセントがその通常の（天然に見いだされる）値４．６７％原子／原子から変化するにつれて変化するであろう。Ｓｉ−２９の所与の比率に対してシリカの屈折率を計算するために、以下の式を使用する。
屈折率（シリカ）＝ＳＱＲＴ（１＋（１．１３１（（Ｓｉ−２９原子／原子パーセント）／４．６７％）））
0005866461.tif 000002
【００７２】
天然の値の１／４０のＳｉ−２９含有率を有する溶融シリカと天然の値の１／１００のＳｉ−２９含有率を有する溶融シリカとの屈折率差は、１．０１４０−１．００５６＝０．００８４である。
【００７３】
この差は、典型的なシングルモード光導波路により利用される屈折率差にほぼ等しい。したがって、０．１１７％（原子／原子）のケイ素同位体比率を有する純粋溶融シリカを含有するコア領域と、０．０４６７％（原子／原子）のケイ素同位体比率を有する純粋溶融シリカを含有するクラッディング領域と、を用いて、光導波路を構築することが可能である。外来ドーパントをなんら添加することなく純粋溶融シリカの屈折率の独立精密制御を維持できるので、光導波路の設計者が既存のものよりも強力な光学特性制御が行えることは、光導波路の設計および製造の当業者には明らかであろう。
【００７４】
達成可能な最も明白な改良は、１．０２のコア屈折率を有する材料を利用した光導波路の構築である。得られる速度因子は、約（１／１．０２）またはｃの９８％であろう。この特性のファイバーは、動作時、関係するデータ待ち時間を劇的に減少させるであろう。
【００７５】
それほど明白ではないが、第２の改良は、Ｓｉ−２９同位体原子自体がドーパントに対応するので、かつ光損失がドーパント原子により引き起こされるレイリー散乱の関数であるので、Ｓｉ−２９原子の濃度を１／４０に減少させると（以上の例から）、光損失は、ゲルマニアドープコアシリカクラッド光ファイバーで典型的に見いだされる０．１９デシベル／キロメートルの値の１／４０に減少しうる。この大きさの、おそらく０．００５ｄｂ／ｋｍまでの、光損失であれば、最長ファイバーリンクを除いて光増幅器の必要性を実質上回避しうる。
【００７６】
シリカの固有損失がそのように大幅に減少すれば、是正しなければならない製造上の欠点および制約が除去されうる。また、接続損失減少の研究は、新たに緊急性が増すであろう。０．２デシベルの損失の接続は、１．０キロメートルのファイバー損失（０．１９ｄｂ／ｋｍ）と等価な場合、適正であるように思われうるが、４０キロメートルのファイバー損失（４０×０．００５ｄｂ／ｋｍ）と等価であるとみなされる場合、全く許容できなくなるであろう。
【００７７】
第３の改良は、おそらく、以上の例に記載のＳｉ−２９同位体含有率が１／４０に減少することにより、１／４０程度に、シリカ自体の色分散が劇的に減少する可能性が非常に高いことであろう。総導波路分散は、単に材料だけではなく導波路自体の形状によっても引き起こされる分散の和の関数であるので、達成可能な全体的改良を予測することは、より難しいが、総分散の大きさを１／１０に減少させることが可能であると思われる。そのような改良を行えば、より高いシンボルレート（多くの場合、ビットレートに等しい）が可能になり、現在使用されている複雑な分散補償の必要性が劇的に軽減されうる。
【００７８】
第４の改良は、とくに、以上に記載の例でＳｉ−２９比率を１／４０に減少させることに対応して、全光損失が同じように１／４０に減少する場合、使用可能な光周波数幅が大幅に広がることであろう。現在、最長距離のデータリンクは、１５４０ナノメートル近傍の波長に限られているが、使用可能な領域は、９５０ｎｍおよび１，４００ｎｍの近傍で制限を受けて、おそらく、５００〜２０００ナノメートルに拡張しうる。そのようなより広い帯域幅を支援するのに必要とされる補助光学部品および電子部品は、利用可能になるにちがいないが、所与の設置されたファイバーは、これらの新しい波長領域を利用するために後で使用しうる。
【実施例】
【００７９】
１．光導波路は、主にシリカまたはゲルマニアまたはその両方からなる高純度光学ガラスで形成されたクラッディング層と、主にシリカまたはゲルマニアまたはその両方からなる高純度光学ガラスで形成されたコア領域と、を含みうる。ただし、前記ガラスの一方または両方は、ケイ素−２９同位体原子が４．４４％原子／原子未満であるケイ素原子を含有するか、またはゲルマニウム−７３同位体原子が７．４１％原子／原子未満であるゲルマニウム原子を含有するか、またはその両方である。
【００８０】
各パーセントは、各元素の地球上のサンプル中に見いだされる通常のＳｉ−２９およびＧｅ−７３の同位体原子の同位体比率の０．９５倍でありうる。
【００８１】
この導波路がシリカで構築される場合、コアまたはクラッディング中の前記酸素原子の少なくとも１０％は、それぞれ、酸素−１８でありうる。
【００８２】
２．光導波路は、主にシリカまたはゲルマニアまたはその両方からなる高純度光学ガラスで形成されたクラッディング層と、主にシリカまたはゲルマニアまたはその両方からなる高純度光学ガラスで形成されたコア領域と、を含みうる。ただし、コア中の酸素の少なくとも５０モルパーセントおよび／またはクラッディング中の酸素の少なくとも５０パーセントは、酸素−１８である。しかしながら、そのほかに、コア領域および／またはクラッディング領域は、酸素−１８同位体の量の５原子％未満の比率で酸素−１７同位体を含有しうる。
【００８３】
３．光導波路は、主にシリカまたはゲルマニアまたはその両方からなる高純度光学ガラスで形成されたクラッディング層と、主にシリカまたはゲルマニアまたはその両方からなる高純度光学ガラスで形成されたコア領域と、を含みうる。ただし、コアまたはクラッディングまたはその両方の酸素の少なくとも７０原子％は、酸素−１８である。しかしながら、そのほかに、酸素−１７原子の量は、全酸素原子含有率の５原子％未満である。
【００８４】
４．コアまたはクラッディングまたはその両方にドーパントをさらに含む、実施例１、２の光導波路のいずれか。しかしながら、コア中のドーパントは、クラッディング中のドーパントと同一である必要はなく、それらは、コア中およびクラッディング中で同一濃度であるも同一濃度で存在するも必要でない。ドーパントは、天然同位体比率のゲルマニウム、任意の非天然同位体分布のゲルマニウム、もしくはＳｉ−２９同位体、またはリン、あるいはそれらの組合せでありうる。
【００８５】
５．実施例１、２、３のすべての光導波路において、Ｓｉ−２９が枯渇したＳｉＯ２を含有する領域の体積パーセント、またはＧｅ−７３が枯渇したＧｅＯ２を含有する領域の体積パーセントは、５０％未満でありうる。
【００８６】
６．実施例１の光導波路において、コア中の酸素の少なくとも７０原子％は、酸素−１８でありうる、またはコアに近接するクラッディングの領域中の酸素の少なくとも７０原子％は、酸素−１８でありうる、かつ酸素−１７の量は、それぞれ、それらの領域中の全酸素原子含有率の５原子％未満でありうる。
【００８７】
７．本発明に係る光導波路のいずれにおいても、コアは、一定のまたは勾配のある屈折率を有しうる。
【００８８】
８．本発明に係る光導波路のいずれにおいても、ファイバーは、ガラスまたはプラスチックで作製された外層で取り囲みうる。
【００８９】
９．本発明に係る光導波路のいずれにおいても、ガラス材料は、コア領域およびクラッディング領域の一方または両方に、Ｇｅ−７３同位体の同位体比率を多くとも７．２原子に減少させた純粋なまたはドープされたゲルマニアガラスを含みうる。
【００９０】
１０．本発明に係る光導波路のいずれにおいても、コア領域またはクラッディング領域またはその両方で、Ｏ−１８の同位体比率は、存在する全酸素同位体原子の少なくとも１０原子％かつ多くとも１００％に上昇させうる。
【００９１】
１１．本発明に係る光導波路のいずれにおいても、Ｓｉ−２９同位体は、コアまたはクラッディングまたはその両方にドーパントとして存在する。
【００９２】
１２．本発明に係る光導波路のいずれにおいても、Ｏ−１７同位体の比率は、地球上に見いだされる０．０３８原子％の天然のＯ０−１７同位体比率を上回りうる。
【００９３】
１３．本発明に係る光導波路のいずれにおいても、Ｏ−１７は、地球上に見いだされる０．０３８原子％の天然Ｏ−１７同位体比率からコアまたはクラッディングで枯渇させうる。そのほかに、天然比率または非天然比率でコアまたはクラッディングまたは両方にＳｉ−２９同位体が存在しうる。
【００９４】
１４．本発明に係る光導波路は、コア領域とクラッディング領域との屈折率差が、完全にまたは部分的に、ケイ素中のＳｉ−２９の同位体比率の差より、またはゲルマニウム中のＧｅ−７３の同位体比率の差により、０．００１原子％超に維持されるように、設計可能である。
【００９５】
１５．本発明に係るいずれの光導波路においても、特開昭６０−９０８４５号公報の特許抄録で記載されているように、−ＯＨは、ジュウテリウムリンスを利用して減少させうる。
【００９６】
１６．本発明に係るいずれの光導波路においても、クラッディングの屈折率は、フッ素化合物を用いて減少させうる。それに加えて、Ｓｉ−３０またはＯ−１８またはその両方の同位体比率は、コアまたはクラッディングまたはその両方で天然のものよりも大きくしうる。
【００９７】
１７．本発明はまた、４．４４原子％未満のＳｉ−２９原子または７．４１原子％未満のＧｅ−７３原子または４．９０原子％超のＳｉ−２９原子または８．１８原子％超のＧｅ−７３原子を含有するように同位体改変された、主にシリカまたはゲルマニアまたはその両方で作製された光伝送性材料である。
【００９８】
１８．本発明に係る光導波路のいずれにおいても、クラッディングまたはクラッディング層は、ゲルマニウム原子の同位体改変サンプルでドープされうるか、または最内側クラッディング層は、存在するゲルマニウム原子の同位体分布のＧｅ−７３同位体を多くとも７．２原子％に減少させるように改変されうる。好ましくは、二酸化ゲルマニウムの量は、０．００５重量％〜１重量パーセント、より好ましくは約０．１重量％〜約０．５重量％、最も好ましくは約０．１重量％〜約０．３重量％の範囲内である。
【００９９】
特定の実施形態を参照して本発明を記載してきた。しかしながら、以下の特許請求の範囲の趣旨および範囲から逸脱することなく他の改変および増強を行いうることは、本発明が関連する技術分野の当業者には明らかなはずである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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