ОПТИЧЕСКОЕ СТЕКЛО Российский патент 1998 года по МПК C03C3/00 

Изобретение относится к области изготовления оптических материалов, а именно стекла, прозрачного в ИК-области спектра, и может быть использовано в технике и технологиях волоконно-оптических систем передачи (ВОСП).

Известны стекла, в которых в качестве стеклообразующих компонентов могут выступать: окислы ряда химических элементов (например, кремния) - образующие оксидное стекло, фториды - образующие фторидное стекло, композиции некоторых элементов в индивидуальной форме - образующие халькогенидное стекло. Наиболее распространенным является силикатное стекло на основе окиси кремния. Одной из его разновидностей выступает кварцевое стекло. В стеклах помимо структуро-образующего соединения (например, SiO₂) могут содержаться структурные модификаторы - легирующие добавки, влияющие на основные свойства стекла. Состав стекла характеризуется процентным содержанием входящих в его состав ингредиентов.

Развитие телекоммуникаций с использованием волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) поставило задачу всемерного повышения качественных характеристик стекла и, в первую очередь, снижения потерь при пропускании светового сигнала по стеклянному волокну. Потери исчисляются в Дб/км, показывающие снижение интенсивности света при его прохождении 1 км оптического волокна. Наличие потерь приводит к необходимости установки на опто-волоконном кабеле промежуточных усилителей, что усложняет, удорожает систему, снижает ее надежность. Сейчас действуют ВОСП с шагом установки промежуточных усилителей 50 - 80 км, что обусловлено имеющимся уровнем потерь 0,5 - 0,2 Дб/км. Важными параметрами являются температурная стабильность, пропускная способность волоконного кабеля. Повышение характеристик ВОСП по-прежнему задается качеством используемого стекла.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому и выбранному в качестве прототипа является оптическое стекло с наибольшей химической чистотой используемых стеклообразующих компонентов, с наименьшими загрязнениями кварцевого стекла оптически-активными ионами, атомами и комплексами (Cheo P. K. "Fiber optics. Devices and systems:, Prentice-Hall, 1985). Стекло, обладающее наибольшей химической однородностью, имеет и лучшие оптические характеристики.

Недостатком повышения однородности стекла за счет уменьшения числа химических компонент, входящих в его состав (а нежелательные примеси и загрязнения также входят в образующуюся структуру стекла), является ограниченность такого пути. Для стекол существует нижний теоретический предел потерь, определяемый рассеянием и абсорбцией светового излучения, обусловленной структурой молекул, входящих в стекло. Для идеального оптического стекла из окиси кремния (примесей абсолютно нет) этот предел равен ≈ 0,1 Дб/км при длине волны пропускаемого ИК-излучения ≈ 1,3 мкм. Данное значение почти уже достигнуто практически. Таким образом, достигается и верхний предел расстояния между ретрансляторами на кварцевом оптическом кабеле - ≈ 100 км.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение атомарной однородности структуры стекол.

Для решения поставленной задачи в оптическом стекле, включающем два или более химических элемента, по крайней мере один химический элемент содержится в изотопно-обогащенной форме.

Как известно, изотопами называются разновидности атомов одного и того же химического элемента, имеющие различную массу (при неизменном заряде ядра). Изотопы подразделяются на стабильные и радиоактивные. Только стабильные изотопы и рассматриваются в настоящем техническом решении. Часть химических элементов (таких в природе 22 элемента) состоит только из одного стабильного изотопа, в их числе - алюминий, натрий, фосфор, фтор. Остальные элементы содержат от 2-х до 10-и стабильных изотопов (И.П. Селинов "Изотопы", Справочник, Наука, М., 1970). Изотопия элемента характеризуется массой имеющихся изотопов и их содержанием в природной смеси. Нижеприведенные таблицы в качестве примера показывают естественную изотопию кремния и германия.

Видно, что для кремния и германия количество стабильных изотопов различно (3 и 5), ширина изотопного интервала не совпадает (2 и 6 атомных единицы массы), содержание изотопов также собственные. В природе нет элементов с одинаковыми изотопными характеристиками.

В повседневной практике отличия в свойствах различных изотопов одного и того же элемента незаметны, и все они интегрально определяют свойства самого химического элемента. Тем не менее установлены и изучены многие изотопные эффекты, влияющие на скорость химических реакций, коэффициенты переноса и др. Именно эти малые отличия позволяют использовать их в технологиях разделения изотопов (М. Шемля, Ж. Перье. Разделение изотопов.- М.: Атомиздат, 1980).

Исследованы оптические изотопные эффекты, состоящие в тонкой структуре спектров изотопосодержащих элементов. Эти отличия послужили основой для лазерного метода разделения изотопов (Летохов В.С., Мур С.Б. Лазерное разделение изотопов, Квантовая электроника, т. 3, N 2, 1976, стр. 248).

Таким образом, оптическая среда, содержащая различные изотопы одного и того же элемента, не может рассматриваться как однородная. Изотопы, имея собственные спектры поглощения, возбуждения и др., уширяют полосу спектра поглощения элемента, приводят к дополнительной дисперсии, нелинейностям при передаче оптического сигнала. Указанные факторы особенно нежелательны в оптических волокнах.

Нахождение в оптическом стекле химического элементы в изотопно-обогащенной форме: с меньшим числом изотопов, подавляющим содержанием одного изотопа, повышает атомарную однородность стекла, и вышеназванные негативные факторы минимизируются. Наивысшая атомарная однородность достигается при предельном обогащении, когда один из изотопов элемента берется в моноизотопном виде.

Примеры реализации.

Повышение атомарной однородности показывается на примерах средних значений, когда количество изотопных компонент уменьшается до двух (пункты а Примеров), и предельных, когда элемент представляется практически единственным изотопом (пункты б).

Пример 1. Для силикатного стекла кремний может содержаться в форме:
а) с уменьшенным изотопным диапазоном (например, 97% ²⁸Si и ≈ 3% ²⁹Si).

б) изотопно-чистого (обогащение по ²⁸Si более 99%).

Пример 2. Для германий-содержащего стекла (как оксидного, так и фторидного) германий может быть в виде:
а) с четными изотопами (например, ≈ 70% ⁷⁴Ge и ≈ 30% ⁷⁶Ge);
б) с единственным легким изотопом (содержание ⁷⁰Ge более 99,9%).

Ингредиенты, предназначенные для введения в стекло в изотопной форме, берутся с теми же самыми качественными характеристиками: агрегатном состоянии и не худшей химической чистоты, как и при приготовлении обычного стекла данной марки. Количественный состав ингредиентов также сохраняется.

Выбор изотопной формы, в какой необходимо использовать тот или иной химический элемент, обогащаемые изотопы, степень изотопной чистоты зависят от характеристик излучения, состава стекла. Универсальным и максимально эффективным решением является содержание в стекле элементов с предельным обогащением, т.е. в моноизотопной форме.

Осуществимость технического решения вытекает из разработанности и практического действия различных методов разделения изотопов как урана, так и всех стабильных изотопов (см., например, сборник "Изотопы в СССР", Москва, Атомиздат, 1980; "Атомная энергия", том 67, N 4, окт. 1989). Воспроизводимость результата определяется высоким достигнутым уровнем анализа изотопного состава элементов методами масс-спектрометрии.

Изотопно-обогащенная форма может оказаться предпочтительной и не для основного стеклообразующего элемента, а для легирующего, что должно устанавливаться из спектральных характеристик как стекла, так и излучения, пропускаемого сквозь него.

Только новая форма - изотопная, по крайней мере одного из ингредиентов, позволяет перейти на более глубокий уровень однородности стекла, принципиально недостижимый известными техническими решениями. Оптическое стекло по данному техническому решению позволяет выйти за рамки существующих теоретических ограничений, накладываемых на его характеристики, в том числе на уровень потерь.

Предложение применимо ко всем многоизотопным элементам, используемым в любых классах стекол и не только в оптических волокнах.

Настоящее техническое решение имеет в числе своих преимуществ то, что использование изотопной формы химических элементов в оптическом стекле не требует какого-либо изменения требований к компонентам, входящим в состав данной марки стекла. Для реализации настоящего предложения в технологии стекла не нужно введение никаких специальных операций, режимов, приемов. Таким образом, все существующие способы приготовления различных типов стекла сохраняются в неизменном виде.

Изобретение относится к области изготовления оптических материалов, а именно стекла, прозрачного в ИК-области спектра, и может быть использовано в технике и технологиях волоконно-оптических систем передачи (ВОСП). Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение атомарной однородности структуры стекол. Для решения поставленной задачи в оптическом стекле, включающем два или более химических элемента, по крайней мере один химический элемент содержится в изотопно-обогащенной форме. В настоящем техническом решении рассматриваются только стабильные изотопы. Нахождение в оптическом стекле химического элемента в изотопно-обогащенной форме: с меньшим числом изотопов, подавляющим содержанием одного изотопа, повышает атомарную однородность стекла, и вышеназванные негативные факторы минимизируются. Наивысшая атомарная однородность достигается при предельном обогащении, когда один из изотопов элемента берется в моноизотопном виде. 1 табл.

Оптическое стекло, включающее два или более химических элемента, отличающееся тем, что по крайней мере один химический элемент содержится в изотопно-обогащенной форме.