二重クラッド光拡散ファイバー、コネクタシステム、及び照明器具

関連技術の相互参照

本出願は、2014年10月22日出願の米国仮特許出願第62/067,017号の米国特許法第119条に基づく優先権を主張するものであって、その内容に依拠し、参照により全内容が本明細書に組み込まれたものとする。

本明細書は、概して、照明用途に利用される光拡散光ファイバーに関し、より詳細には、ファイバーの長さに沿って色の動きを生じさせることができる、光拡散光ファイバーに関するものである。

光ファイバーは、光源から遠隔地に光を送る必要がある様々な用途に利用されている。光通信システムは、例えば、光ファイバーのネットワークを利用して、サービスプロバイダーからエンドユーザーに光を送信する。

通信用光ファイバーは、吸収及び散乱による減衰が比較的少ない、800nm〜1675nm範囲の近赤外波長で動作するように設計されている。これによって、ファイバーの一端に入射した光は、僅かな量がファイバーの側面を通して周囲に出射するのみで、大部分は、ファイバーの反対側の端部から出射することができる。

しかし、近年、従来のファイバーより、曲げに対して感受性が低い光ファイバーの必要性が高まっている。この理由は、光ファイバーをきつく湾曲させる必要がある構成を採る通信システムが益々多く展開されているからである。この必要性が、コア領域を囲む非周期的に配置された小さな空隙のリングを利用した光ファイバーの開発につながった。空隙を含むリングは、曲げに対する不感受性を増大させる働きをする、即ち、ファイバーは、ファイバー内を伝播する光信号の減衰を大きく変化させることなく、より小さな曲げ半径を有することができる。空隙を含むリング領域を光ファイバーのクラッド(コアから幾分離れている)に配置することによって、光損失が抑制され、結果として、空隙を含むリング領域を通して伝播する光の量が抑制される。

一般に、光ファイバーは、長距離に亘り、その一端から他端に効率よく光を送るように設計されており、一般的なファイバーの側面から光が逃げることは殆んどないため、光ファイバーが、長尺の照明源を形成するのに非常に適しているとは考えられていない。しかし、選択された量の光を特定の領域に効率的に供給する必要がある、特殊照明装置、看板、又は細菌増殖、光バイオエネルギーやバイオマス燃料の生産を含む、生物学的応用等、多くの用途がある。バイオマスの成長に関しては、光エネルギーをバイオマスベースの燃料に変換するプロセスを開発する必要がある。特殊照明装置については、光源が薄く柔軟性を有し、異なる様々な形状に容易に変更できなければならない。

光拡散ファイバーは、選択された量の光を特定の領域に効率的に供給する必要がある、特殊照明装置、看板、表示用途等の用途にとって重要である。熟慮された1つの方法において、光ファイバー内にナノ加工されたフィーチャーが形成され、光ファイバーの側面を通して非常に効率的に光を散乱するように構成された散乱中心が設けられている。光ファイバー及びファイバー内に形成された散乱機構によって、非常に小型で柔軟な照明源が提供される。LED又は同様の光源からの光をより効率的に結合するために、これらのファイバーを一緒に束ねて効果的にコアサイズを増加させることもできる。ファイバーからの光の抽出は、一般に均一であり、ファイバー内の散乱サイトの数を制御することによって、より多くの光又はより少ない光を側面から散乱させることができる。

コア及びクラッドの両方に散乱中心を有する光拡散ファイバーが開示されている。一部の実施の形態において、光拡散ファイバーは、シリカコアを有し、コアの一部が散乱サイトとして作用する(半径方向および軸方向に)非周期的に分布する、ナノ加工されたフィーチャーのリングを含んでいる。散乱サイトの直径は〜50−500nmの範囲であり、長さは〜10−1000mmである。散乱中心が50−500nmサイズの範囲にあるため、使用する光の波長とは殆ど無関係に、伝播する光を効果的に散乱する。散乱光の大きさは、散乱中心の大きさ及びファイバーコアと比較した相対面積に依存することを利用して制御される。ファイバーの吸収損失はごく僅かであり、散乱損失は5〜10dB/mと高くすることができる。ファイバーのクラッドは、Fドープシリカ又は低屈折率のポリマークラッドのいずれかとすることができ、ファイバーの開口数は最大0.53である。曲げ損失も小さく、最小曲げ径が半径5mmである。前述の光ファイバーの1つの問題は、特定の光ファイバーの使用に適した光コネクタに関係している。

例えば、Fドープシリカクラッドファイバーは、従来の光ファイバー用コネクタ技術と互換性があるように構成することができる。換言すれば、ガラスクラッドは、セラミックのフェルールに親密に接続されるため、フェルールに対するファイバーの歪み緩和が比較的高く、より容易にコアとフェルールとの高い同心性が達成される。しかし、従来のFドープシリカクラッドファイバーが達成し得る開口数では、ファイバーが湾曲状態のとき、均一な照明ができない。一方、低屈折率のポリマークラッドを備えた光ファイバーに、従来の光ファイバー用コネクタ技術を用いると更に問題が大きくなる。低屈折率のポリマークラッドを有する光ファイバーは、クラッドが元の状態のままで、コネクタを用いて設置する必要があり、この種のコネクタは一般に「クリンプ&クリーブ」ファイバーコネクタと呼ばれている。具体的には、コネクタの部品が、ファイバーの比較的柔らかいポリマー被覆に直接圧着されるが、ファイバーの表面が互いに平坦になるため、コネクタは物理的に接触することができない。更に、フェルールに対するファイバーの歪み緩和は遥かに小さい。最後に、低屈折率コーティングの厚さ及び心出しが正確でないため、コアとフェルールとの高い同心性を容易に達成することができない。簡潔に言えば、ポリマークラッドファイバーをガラスクラッドファイバーと比較すると、ポリマークラッドファイバーの結果の方が劣る。従って、標準の光ファイバーフェルールコネクタが使用できないため、ポリマークラッドファイバーを終端するコストは比較的高い。

従って、必要なのは、標準の光ファイバー用フェルールコネクタと組み合わせて使用することができ、湾曲した領域において、比較的均一な照明を提供する、Fドープシリカクラッドファイバーである。

本発明は、標準の光ファイバー用フェルールコネクタと組み合わせて使用することができ、湾曲した領域において、比較的均一な照明を提供する、Fドープシリカクラッドファイバーを提供することによって、前述の必要性に対応するものである。

本発明の1つの態様は、第1の端部及び第2の端部を有し、コア半径によって特徴付けられるガラスコア領域を備えた光ファイバーに関するものである。ガラスコア領域は、第1の端部と第2の端部との間の少なくとも1つの所定の半径方向セグメント内に配置された、少なくとも1つのナノ構造化領域を含んでいる。少なくとも1つのナノ構造化領域は、ガラスコア領域が、平均屈折率n_avgを有するように、ガラスコア領域内を伝播する光を散乱するように構成された、ナノサイズの構造体を含んでいる。少なくとも1つのナノ構造化領域は、コア半径以下のナノ構造化領域半径によって特徴付けられる。内側ガラスクラッド領域が、ガラスコア領域を囲み、内側ガラスクラッド領域はn_avgより小さい内側クラッド屈折率n₂を有している。外側クラッド領域が内側ガラスクラッド領域を囲み、外側クラッド領域は、n₂より小さい外側クラッド屈折率n₃を有している。屈折率差n₂−n₃が曲げ均一性直径に対応し、ファイバー曲げ位置において、外側クラッドから出射する光が、ファイバー曲げ位置の曲げ直径が、曲げ均一性直径より小さいとき、実質的に不均一である。

1つの実施の形態において、ガラスコア領域と内側ガラスクラッド領域の直径が、約125μmに実質的に等しい。

1つの実施の形態において、少なくとも1つのナノ構造化領域の断面が、実質的に円形であって、円形断面の原点が、光ファイバーの中心長手軸に実質的に対応している。

実施の形態の1つのバージョンにおいて、少なくとも1つの所定の半径方向セグメントが、コア半径に実質的に等しい。

実施の形態の1つのバージョンにおいて、少なくとも1つの所定の半径方向セグメントが、コア半径より実質的に小さい。

1つの実施の形態において、少なくとも1つの所定の半径方向セグメントは、コア半径より実質的に小さく、少なくとも1つのナノ構造化領域の断面は、ガラスコア領域の第1の部分であって、ナノサイズの構造体を含まない部分の周囲に配置された環状リングとして特徴付けられる。

実施の形態の1つのバージョンにおいて、環状リングが、ナノサイズの構造体を含まないガラスコア領域の第1の部分と第2の部分との間に配置されている。

1つの実施の形態において、内側ガラスクラッド領域が、フッ素でドープされている。

1つの実施の形態において、外側クラッド領域が、ポリマー材料を含んでいる。

実施の形態の1つのバージョンにおいて、ポリマー材料が、フッ素ドープアクリレート材料、シリコーン材料、又はテフロン(登録商標)材料を含むポリマー材料の群から選択される。

1つの実施の形態において、ファイバーが、光の波長において、実質的に50dB/km〜5,000dB/kmの範囲の散乱誘起減衰によって特徴付けられる。

別の態様において、本発明は、コア半径によって特徴付けられ、第1の端部及び第2の端部を有するガラスコア領域を含む、光ファイバーを用意するステップを備えた方法に関している。ガラスコア領域は、第1の端部と第2の端部との間の、少なくとも1つの所定の半径方向セグメント内に配置された、少なくとも1つのナノ構造化領域を含んでいる。少なくとも1つのナノ構造化領域は、ガラスコア領域が、平均屈折率n_avgを有するように、ガラスコア領域内を伝播する光を散乱するように構成された、ナノサイズの構造体を含んでいる。少なくとも1つのナノ構造化領域は、コア半径以下のナノ構造化領域半径によって特徴付けられる。光ファイバーは、ガラスコア領域を囲む内側ガラスクラッド領域も含んでいる。内側ガラスクラッド領域は、n_avgより小さい内側クラッド屈折率n₂を有している。光ファイバーは、内側ガラスクラッド領域を囲む、外側ポリマークラッド領域を更に含んでいる。外側クラッド領域は、n₂より小さい外側クラッド屈折率n₃を有している。屈折率差n₂−n₃が曲げ均一性直径に対応し、ファイバー曲げ位置において、外側クラッドから出射する光は、ファイバー曲げ位置の曲げ直径が、曲げ均一性直径より小さいとき、実質的に不均一である。本方法は、フェルールボア長を有するフェルール部を含む、光ファイバー用コネクタを用意するステップを備えている。外側ポリマークラッド領域の一部が除去される。外側ポリマークラッド領域の一部は、フェルールボア長に実質的に対応する長さを有している。光ファイバーの一部が、所定の距離フェルールボアの内部に挿入され、所定の距離が、外側ポリマークラッド領域の除去された部分の長さに実質的に対応し、ガラスコア領域及び内側ガラスクラッド領域のみが、フェルールの内部に配置される。

1つの実施の形態において、フェルールボアに硬化性エポキシが挿入されて、ファイバーの一部がフェルールボアの内部に固定される。

1つの実施の形態において、ガラスコア領域と内側ガラスクラッド領域の直径が、約125μmに実質的に等しい。

1つの実施の形態において、内側ガラスクラッド領域が、フッ素でドープされ、ポリマー材料が、フッ素ドープアクリレート材料、シリコーン材料、又は「テフロン」材料を含むポリマー材料の群から選択される。

更に別の態様において、本発明は、第1の端部及び第2の端部を有し、コア半径によって特徴付けられるガラスコア領域を含む、光散乱光ファイバーを備えた照明器具に関している。ガラスコア領域は、第1の端部と第2の端部との間の少なくとも1つの所定の半径方向セグメント内に配置された、少なくとも1つのナノ構造化領域を含み、少なくとも1つのナノ構造化領域は、ガラスコア領域内を伝播する光を散乱するように構成された、ナノサイズの構造体を含んでいる。ガラスコア領域は、平均屈折率n_avgを有している。少なくとも1つのナノ構造化領域は、コア半径以下のナノ構造化領域半径によって特徴付けられる。ファイバーは、ガラスコア領域を囲む内側ガラスクラッド領域を含み、内側ガラスクラッド領域は、n_avgより小さい内側クラッド屈折率n₂を有している。ファイバーは、内側ガラスクラッド領域を囲む、外側クラッド領域も含み、外側ポリマークラッド領域はn₂より小さい外側クラッド屈折率n₃を有している。屈折率差n₂−n₃が曲げ均一性直径に対応し、ファイバー曲げ位置において、外側クラッドから出射する光が、ファイバー曲げ位置の曲げ直径が、曲げ均一性直径より小さいとき、実質的に不均一である。照明器具は、光ファイバーに接続され、光ファイバーの内部に光を誘導するように構成された光源も備え、光はナノサイズの構造体によって散乱され、外側ポリマークラッド領域を通して放出される。

1つの実施の形態において、光ファイバー用コネクタが光ファイバーに結合される。光ファイバー用コネクタは、フェルールボア長を有するフェルール部を含んでいる。光ファイバーの一部がフェルールボアに配置され、硬化性エポキシによって、フェルールボアの内部に固定される。フェルールボアの内部に配置された、光ファイバーの一部の外側クラッド領域が、光ファイバーから除去されている。

1つの実施の形態において、ガラスコア領域と内側ガラスクラッド領域の直径は、約125μmに実質的に等しい。

1つの実施の形態において、光は、実質的に200nm〜2000nmの範囲の少なくとも1つの波長によって特徴付けられる。

1つの実施の形態において、光源は少なくとも1つのLEDを含んでいる。

本開示の目的のために、本明細書において使用される場合、「水平」、「垂直」、「前」、「後」等の用語、及びデカルト座標の使用は、図面における基準及び説明を容易にするためのもであって、絶対的な配向及び/又は方向に関し、本明細書又は特許請求の範囲のいずれも厳密に限定することを意図するものではない。

定義 以下の開示の説明において、以下の用語及び語句は、ナノサイズの構造体を有する光拡散光ファイバーに関連して使用されるものである。「屈折率プロファイル」は、屈折率又は相対屈折率と導波路(ファイバー)の半径との関係である。「相対屈折率パーセント」は、Δ(r)%=100×[n(r)²−n_REF²]/2n(r)²で定義され、ここで、n(r)は、別に明記しない限り、半径rにおける屈折率である。相対屈折率パーセントは、別に明記しない限り、850nmにおいて定義される。1つの態様において、基準屈折率n_REFは、850nmにおいて1.452498の屈折率を有するシリカガラスであり、別の態様では、850nmにおけるクラッドガラスの最大屈折率である。本明細書において、相対屈折率は、別に明記しない限り、Δで表され、その値は「%」単位で与えられる。領域の屈折率が基準屈折率n_REFより小さい場合には、相対屈折率は負であり、陥凹領域又は陥凹屈折率を有すると言い、別に明記しない限り、最小相対屈折率は、相対屈折率が最も負の点において算出される。領域の屈折率が基準屈折率n_REFより大きい場合には、相対屈折率は正であり、当該領域は隆起している又は正の屈折率を有していると称することができる。

本明細書において「アップドーパント」とは、純粋な非ドープSiO₂に対し、相対的に屈折率を上昇させる傾向にあると見なされるドーパントを意味する。本明細書において「ダウンドーパント」とは、純粋な非ドープSiO₂に対し、相対的に屈折率を低下させる傾向にあると見なされるドーパントを意味する。アップドーパントは、アップドーパントではない1つ以上の別のドーパントを伴う場合には、負の相対屈折率を有する光ファイバーの領域に存在していてもよい。同様に、アップドーパントではない1つ以上の別のドーパントは、正の相対屈折率を有する光ファイバーの領域に存在していてもよい。ダウンドーパントは、ダウンドーパントではない1つ以上の別のドーパントを伴う場合には、正の相対屈折率を有する光ファイバーの領域に存在していてもよい。同様に、ダウンドーパントではない1つ以上の別のドーパントは、負の相対屈折率を有する光ファイバーの領域に存在していてもよい。

本明細書において「αプロファイル」又は「アルファプロファイル」という用語は、「%」単位のΔ(r)で示される相対屈折率プロファイルを意味し、ここで、rは半径であり、式Δ(r)=Δ(r₀)(1−[|r−r₀|/(r₁−r₀)]^α)に従い、ここで、r₀はΔ(r)が最大になる点、r₁はΔ(r)%がゼロの点、rはr_i≦r≦r_fの範囲にあり、ここで、r_iはαプロファイルの初期点、r_fはαプロファイルの終点であり、αは実指数である。

本明細書において、「放物線状」という用語は、僅かな変動及び/又は中心線ディップを含む、α値が2.0から若干変動するコア内の1つ以上の点における、実質的に放物線状の屈折率プロファイルを意味する。一部の例示的実施の形態において、αは1.5を超え2.5未満である。別の実施の形態において、αは1.7を超え2.3未満である。更に別の実施の形態において、850nmで測定したとき、αは1.8〜2.3である。別の実施の形態において、850nmで測定したとき、屈折率プロファイルの1つ以上の区域が、α値が8を超える実質的にステップ型の屈折率形状を有している。別の実施の形態において、850nmで測定したとき、αが10又は20より大きい。

「ナノ構造化ファイバー領域」という用語は、ガスを充満した多数(50を超える)の空孔、例えば、ファイバーの断面において50、100、あるいは200を超える空孔又はナノサイズの構造体を含む領域又は区域を有するファイバーを意味する。ガス入り空孔は、例えば、SO₂、Kr、Ar、CO₂、N₂、O₂、又はこれ等の混合物を含むことができる。本明細書に記載のナノサイズの構造体(例えば、空孔)の断面サイズ(例えば、直径)は、10nm〜1μm(例えば、50nm〜500nm)であり、長さは1mm〜50m(例えば、2mm〜5m、又は5mm〜1mの範囲)である。

標準シングルモード又はマルチモード光ファイバーにおいて、1300nm未満の波長における損失の大半は、レイリー散乱によって占められている。レイリー散乱損失(L_S)は材料の特性によって決まり、一般に可視波長(400〜700nm)において、約20dB/kmである。また、レイリー散乱損失は強い波長依存性を有し、これは95%を超える入射光を消散させるためには、少なくとも約1km〜2kmのファイバーが必要であることを意味している。かかるファイバーが短い場合には照明効率が低下し、長いファイバー(1km〜2km、又はそれ以上)を使用すると高価になると共に管理が困難になる。バイオリアクターやその他の照明システムに、長尺のファイバーを使用する場合には、設置が面倒である。

照明用途の特定の構成において、1mより有意に短い長さ及び100mより有意に長い長さが可能であるが、例えば、1〜100mの短尺ファイバーの使用が望ましい。そのためには、良好な角散乱特性(ファイバー軸からの均一な光の消散)、及びブライトスポットを回避するためのファイバー湾曲部における良好な曲げ特性を維持しつつ、ファイバーの散乱損失を増加させる必要がある。本発明の少なくとも一部の実施の形態における好ましい属性は、ファイバー照明装置の長さに沿った高照度である。光ファイバーは柔軟性に富むため、多様な照明形状に展開することができる。ファイバーによる照明に30%を超える変動が生じないよう、ファイバーの湾曲部において(曲げ損失の増加による)ブライトスポットが生じないことが好ましい。一部の実施の形態において、照明の変動は20%未満、ときにより10%未満である。例えば、少なくとも一部の実施の形態において、ファイバーの平均散乱損失は50dB/kmを超え、長さ0.2mのファイバー区域における散乱損失の変動は30%以内(即ち、散乱損失が平均散乱損失の±30%以内)である。少なくとも一部の実施の形態によれば、ファイバーの平均散乱損失が50dB/kmを超え、長さ0.05m未満のファイバー区域における散乱損失の変動が30%以内である。少なくとも一部の実施の形態によれば、ファイバーの平均散乱損失が50dB/kmを超え、長さ0.01mのファイバー区域における散乱損失の変動が30%以内(即ち、±30%以内)である。少なくとも一部の実施の形態によれば、ファイバーの平均散乱損失が50dB/kmを超え、長さ0.01mのファイバー区域における散乱損失の変動が20%以内(即ち±20%以内)、また一部の実施の形態において、長さ0.01mのファイバー区域において、10%以内(±10%以内)である。

少なくとも一部の実施の形態において、光ファイバーの側面から出射される照明波長における全(拡散)光強度の変動が、対象とするファイバーの長さ、例えば、0.02〜100mであってよい、において30%未満である。クラッド又は被覆に蛍光材料を含めることによって、光ファイバーの側面から出射される照明波長における全光強度を変えることができる。蛍光材料によって散乱される光の波長は、ファイバー内を伝播する光の波長と異なる。

以下の例示的な実施の形態の一部において、ファイバーのコア領域又はコアの極近傍に配置されたナノ構造化ファイバー領域(ナノサイズの構造体を有する領域)を有するファイバーの構成が記述されている。ファイバーの実施の形態の一部は、50dB/kmを超える(例えば、100dB/km超、200dB/km超、500dB/km超、1000dB/km超、3000dB/km超、5000dB/km超)散乱損失を有し、その散乱損失(従って、照明、又はこれ等のファイバーから放射される光)が、角度空間において均一である。

ファイバー湾曲部におけるブライトスポットの発生を抑制又は排除するために、曲げ直径50mm未満において、ファイバーを90°湾曲させたときの減衰の増加が、5dB/ターン(例えば、3dB/ターン未満、2dB/ターン未満、1dB/ターン未満)であることが好ましい。例示的実施の形態において、更に小さい曲げ直径、例えば、20mm未満、10mm未満、更には5mm未満において、このような低曲げ損失を達成することができる。曲げ半径5mmにおいて、全減衰量の増加が1dB/90度ターンである。

一部の実施の形態によれば、曲げ損失が直線ファイバーのコアの固有散乱損失以下である。固有散乱は主にナノサイズの構造体によるものである。従って、少なくとも光ファイバーの曲げ不感性の実施の形態によれば、曲げ損失がファイバーの固有散乱損失を超えることはない。しかし、散乱レベルが曲げ直径の関数であるため、ファイバーの曲げ展開は散乱レベルに依存する。例えば、一部の実施の形態において、ファイバーの曲げ損失は、3dB/ターン未満、一部の実施の形態において、2dB/ターン未満であり、ブライトスポットを形成することなく、ファイバーを半径5mmまで円弧状に湾曲させることができる。

また、以下の説明において、散乱された化学線が光反応性材料の全体に供給又は送達される一部の実施形態において、散乱化学線は、妥当な時間内に、光反応性材料に対して光反応を行うのに十分な強度を有しているものと仮定している。

本発明のこれら及び他の態様は、以下に記載の実施形態を参照することによって明らかになるであろう。

更なる特徴及び効果は、これに続く詳細な説明に述べてあり、当業者はその記述から、一部は容易に明らかであり、これに続く詳細な説明、特許請求の範囲、及び添付図面を含め、本明細書に記載の方法を実施することによって認識できるであろう。前述の概要説明及び以下の詳細な説明は、いずれも単なる例示であって、特許請求の範囲の性質及び特徴を理解するための概要、及び枠組みの提供を意図したものであることを理解されたい。添付図面は、更なる理解が得られることを意図して添付したもので、本明細書に組み込まれ、その一部を構成するものである。図面は1つ以上の実施の形態を示すもので、その説明と併せ、様々な実施の形態の原理及び作用の説明に役立つものである。

実施の形態による、二重クラッド光拡散光ファイバーの一部の概略側面図。

実施の形態による、二重クラッド光拡散光ファイバーの相対屈折率プロット対半径の概略図。

実施の形態による、図2に示すファイバーのコア領域細部の概略断面図。

二重クラッド光拡散光ファイバー細部の概略図であって、別の実施の形態による、図1及び2に示すファイバーの別のコア領域を示す図。

図4に示す二重クラッド光拡散光ファイバーの相対屈折率プロット対半径の概略図。

別の実施の形態による、図2に示すファイバーのコア領域細部の概略断面図。

別の実施の形態による、図2に示すファイバーのコア領域細部の概略断面図。

実施の形態による、光ファイバーの終端に使用されるコネクタの断面図。

実施の形態による、光ファイバーの終端に使用されるコネクタの断面図。

実施の形態による、照明器具の概略図。

実施の形態による、照明器具の概略図。

添付図面に例を示す、現時点における本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。図面全体を通し、同じ又は同様の部品は、可能な限り、同じ又は同様の参照符号によって示してある。二重クラッド光拡散光ファイバーの1つの実施の形態が図1に示してあり、図面全体を通し、概して参照番号12で示す。

本開示の範囲において、以下の例に対し様々な改良及び変形が可能であり、また異なる例の態様を異なる方法で組み合わせて、更に別の例を実現することができる。従って、本開示の真の範囲は、本明細書に記載の実施の形態を考慮しつつ、これに限定されず、本開示の全体から理解されたい。

本発明の方法は、コア半径によって特徴付けられ、第1の端部及び第2の端部を有するガラスコア領域を含む、光ファイバーを用意するステップを備えている。ガラスコア領域は、第1の端部と第2の端部との間の少なくとも1つの所定の半径方向セグメント内に配置された、少なくとも1つのナノ構造化領域を含んでいる。少なくとも1つのナノ構造化領域は、ガラスコア領域が、平均屈折率n_avgを有するように、ガラスコア領域内を伝播する光を散乱するように構成された、ナノサイズの構造体を含んでいる。少なくとも1つのナノ構造化領域は、コア半径以下のナノ構造化領域半径によって特徴付けられる。光ファイバーは、ガラスコア領域を囲む、内側ガラスクラッド領域も含んでいる。内側ガラスクラッド領域は、n_avgより小さい内側クラッド屈折率n₂を有している。光ファイバーは、内側ガラスクラッド領域を囲む、外側ポリマークラッド領域を更に含んでいる。外側クラッド領域は、n₂より小さい外側クラッド屈折率n₃によって特徴付けられ、屈折率差n₂−n₃が曲げ均一性直径に対応し、ファイバー曲げ位置において、外側クラッドから出射する光は、ファイバー曲げ位置の曲げ直径が、曲げ均一性直径より小さいとき、実質的に不均一である。本方法は、フェルールボア長を有するフェルール部を含む、光ファイバー用コネクタを用意するステップを備えている。外側ポリマークラッド領域の一部が除去され(除去された部分の長さが、フェルールボア長に実質的に対応している)、(ガラスコア領域及び内側ガラスクラッド領域のみが、フェルールの内部に配置されるように)、光ファイバーが、外側ポリマークラッド領域の除去された部分の長さに実質的に対応する所定の距離、フェルールボアに挿入される。

本明細書において具体化され、図1に示すように、実施の形態による光拡散光ファイバーの一部の概略側面図が開示されている。本明細書に記載のように、複数の空孔、又はナノ粒子が、中心軸(「中心線」)16を有する、二重クラッド光拡散光ファイバー(以下「ファイバー」)12のコアに配置されている。二重クラッド領域40(「クラッド」)が、環状コア20を囲み、外面又は被覆60を有している。二重クラッド40は、ステップ屈折率によって特徴付けられ、高い開口数(NA)を得るために、外側クラッド40−2が、内側クラッド部40−1より実質的に低い屈折率を有している、ここでNAは(n_inner²−n_outer²)^0.5と定義される。図2を参照されたい。

任意である被覆60は、二重クラッド40を囲んでいる。当業者であれば、「クラッド」という用語は、光をコア部分20に閉じ込めるように構成された材料を指すことが分かるであろう。はっきり言えば、クラッドは、別の機能も有することができるが、その主な機能は、ファイバー内を伝播する光のコア領域への誘導及び閉じ込めを支援することである。本明細書に記載のように、クラッド40の上に1つ以上の被覆60を施すことができる。当業者であれば、「被覆と」という用語は、被覆は一般にガラスを外部損傷から保護するために用いられ、ファイバー12のコア領域20に、ファイバー内を伝播する光を閉じ込める又は除去する光学的機能を有していてもいなくてもよいという点において、クラッドという用語と異なることが分かるであろう。

1つの実施の形態において、被覆60は、低モジュラスの一次被覆層及び高モジュラスの二次被覆層を含むことができる。少なくとも一部の実施の形態において、被覆層60は、アクリレート系又はシリコーン系ポリマー等のポリマー被覆を含むことができる。少なくとも一部の実施の形態において、被覆は、ファイバーの長さに沿って、一定の直径を有している。別の実施の形態において、被覆60は、二重クラッド40を通過する「放射光」の分布及び/又は性質を向上させるように構成される。クラッド40の外面又は任意の被覆の外側の表面は、本明細書に記載のように、ファイバーを伝播する光が散乱によって出射するファイバー12の「側面」を表わしている。

一部の例示的な実施の形態において、被覆60は、放射光の改質に役立つ、蛍光又は紫外線吸収分子を含んでいる。適切なアップ又はダウンコンバート分子を被覆に含めて、入力光源の波長と異なる波長の光を生成することもできる。インク被覆層を適用して、放射光の色又は色相を変えることもできる。

一部の実施の形態によれば、ポリマー、金属、又はガラスのカバー(又は被覆)でファイバー12を囲むことができる。被覆又はカバーは、250μmより大きい最小外寸(例えば直径)を有している。ファイバーが金属被覆を有している場合、金属被覆が開口部を含み、所定の領域に光を選択的に向けることができる。必要に応じ、保護カバー又はシース(図示ぜず)によって、クラッド40(又は被覆されている場合には、任意の被覆60)を覆うことができる。

本明細書において具体化され、図2に示すように、本発明による二重クラッド光拡散ファイバーの概略図が開示されている。図は、相対屈折率対ファイバー半径を示すプロットである。図の最左端がファイバーの中心であり、最右端は外側クラッド部40−2の範囲を示している。従って、光ファイバーは、コア領域20、内側クラッド40−1、及び外側クラッド40−2を含んでいる。本明細書に記載のように、ガラスコア領域は、ガラスコア領域20に形成された1つ以上のナノ構造化領域26を含んでいる(例えば、図3、4、6A、及び6Bを参照)。ナノ構造化領域26は、ガラスコア領域を伝播する光を散乱するように構成された、ナノサイズの構造体31を含んでいる。従って、ガラスコア領域は、ナノ構造化領域及び非光散乱領域両方の関数である、平均屈折率を有している。内側クラッド40−1と外側クラッド40−2との屈折率差400は光ファイバーの「曲げ均一性」に関連している。曲げ均一性は、曲げ位置における、外側クラッド40−2を介した実質的に均一な光放出を指す。本発明は、所定の曲げ均一性直径に対し、曲げ位置において、光をファイバーのガラスコア部分に効果的に閉じ込めるために、屈折率差400を最適化するものである。例えば、比較的小さい屈折率差400(即ちNA≦0.2になる差)によって、直径約30mmを超える光ファイバーの曲げに対し、曲げ均一性がもたらされるのに対し、比較的大きい屈折率差400(即ちNA≧0.4になる差)によって、直径約5mmを超える光ファイバーの曲げに対し、大幅に改善された曲げ均一性がもたらされる。所与の曲げ直径が、曲げ均一性直径より小さい場合、ファイバーの側面を通して放射される光は益々不均一になる。従って、より大きい差400を与える、より小さい屈折率の被覆材料は、より高価であるため、コスト等、他の設計の側面を犠牲にしながら、設計者が利用して、曲げ損失の改善を最適化することができる妥協点が存在する。以下に説明するように、図2に示すコア領域は、ナノ構造化領域26及び非ナノ構造化領域22及び28の両方を含むことができる(本図には示してない)。

光ファイバー12のガラス部分(20、40−1)は、標準的な光ファイバー処理方法を用いて作製することができる。例えば、1つの実施の形態において、外部蒸着(OVD)法を用いて、低濃度シリカスート(0.25〜1.0g/cc)の化学蒸着を実施している。低濃度シリカスートは、圧密化ステップにおいて焼結される。圧密化ステップの間、不溶性ガス(N₂、Ar、Kr、SO₂)のポケット又は気泡が、ガラス母材に捕捉される。本明細書に記載のように、その後のレイダウン及び圧密化ステップを実施して所望のコア構造を構築することができる。具体的には、このようにして、シリカ領域とナノ構造化シリカの両方を含むコア構造を実現することができる。コア20の設計は、ナノ構造化領域26と非ナノ構造化シリカ(22、28)との組み合わせとして選択され、全体的に異なる固有レベルの散乱が可能になる。具体的には、より多くのナノ構造体を含む設計によって散乱レベルが高くなる。

次のステップにおいて、(クラッド40−1の所望の厚さに応じて)所定量のスートを堆積させることによって、内側クラッド40−1が形成される。スートはSiF₄等のフッ素前駆体の存在下において圧密化され、フッ素ドープクラッド材料(Fドープクラッド40−1)が形成される。

圧密化されたプリフォームは、加熱されファイバーに引き伸ばされる延伸にかけられる。ガラスファイバー部分の直径は、50〜600μmの範囲とすることができる。一部の用途において、直径の範囲は80〜250μmである。エポキシ硬化光ファイバーコネクタの使用が要求される用途の場合、ファイバー12のガラス部分の直径は、一般に125μmである。ガラスの熱履歴を修正することにより、延伸時にファイバーの散乱レベルを更に制御することができる。例えば、より高い温度の延伸によって、ナノ構造体の結合が更に生じ、同じプリフォームからより大きなレベルの散乱が得られる。

ファイバー12の一部の実施の形態において、コア20は屈折率分布型コアであり、コアの屈折率プロファイルは、放物線(又は実質的に放物線)形状を有し、一部の実施の形態において、コア20の屈折率プロファイルは、850nmで測定してα値が約2、場合により1.8〜2.3のα形状を有している。別の実施の形態において、屈折率プロファイルの1つ以上の区域は、850nmで測定して、α値が8を超え、場合によっては10又は20を超える、実質的にステップインデックス形状を有している。一部の実施の形態において、コアの屈折率は、中心線ディップを有することができ、コアの最大屈折率及び光ファイバー全体の最大屈折率は、中心線16から僅かに離れて位置しているが、別の実施の形態においては、コアの屈折率に中心線ディップがなく、コアの最大屈折率及び光ファイバー全体の最大屈折率は中心線に位置している。

次のステップにおいて、ガラスクラッド部40−1の上に、ポリマークラッド40−2が形成される。ポリマークラッド層40−2は、Fドープアクリレート材料又はシリコーン被覆として実施することができる。ファイバー製造に係る当業者であれば、裸のファイバーに被覆することができるガラスと比較して、低い屈折率を有する任意のポリマー材料が機能することができることを認識するであろう。一般的な例には、「テフロン」、シリコーン、及びFをドープしたアクリレートが含まれる。ポリマークラッド材料40−2は、内側クラッド40−1より小さい所定の屈折率を有するように選択される(図2参照)。ポリマークラッド材料40−2は、照明器具内の光ファイバーの構成及び配置に応じて選択された、曲げ抵抗を与える二次的機能を有している(図8参照)。比較的低い屈折率を有する材料は、通常、比較的高い屈折率を有する材料より、良好な曲げ抵抗を示すが、低屈折率材料は、一般に高価である。ポリマークラッド材料40−2の厚さは、所望量の光を誘導するように選択される。ポリマークラッド材料は、5〜30μmの範囲の厚さを有することができる。特定の実施の形態において、ポリマークラッド材料は、約15μmの厚さを有している。Fドープアクリレート材料は、SSCP社又はLuvantix社によって提供されるPC404AP等、ファイバーのクラッド用途に用いられる任意の適切な低屈折率材料を使用して、実施することができる。

図2に示す光ファイバー12を形成した後、1つ以上の任意の被覆を施すことができる。例えば、Momentive Performance Materials社が提供する被覆等、適切な標準通信グレードの被覆によって、ファイバーを被覆することができる。任意の被覆の主たる機能は、ファイバー12を物理的に保護することである。標準通信グレードの被覆は、10〜100μmの範囲の厚さを有することができる。特定の実施の形態において、ポリマークラッドは、約20〜25μmの厚さを有している。標準通信グレードの被覆の周囲に、光散乱構造体又はナノ粒子を有する拡散被覆を施すこともできる。この被覆の公称厚さは、約2.5μmである。本明細書に記載の方法の利点の1つは、光ファイバー12が、エポキシ系コネクタと嵌合する能力である。図7A、7Bを参照されたい。

図3を参照すると、実施の形態による図2に示すファイバーのコア領域の詳細が開示されている。この実施の形態において、コア領域全体が「ナノ構造化」材料から成っている。具体的には、光拡散ファイバー12のコア領域26は、例えば、図3の拡大挿入図に詳細に示す例示的な空孔等、内部に複数の非周期的に配置されたナノサイズの構造体(例えば、空孔又はナノ粒子)32を有する、ガラス母材(「ガラス」)31を含んでいる。別の例示的な実施の形態において、フォトニック結晶光ファイバーにおけるように、ナノサイズの構造体32は、周期的に配列されていてもよく、ナノサイズの構造体は、一般に、約1×10⁻⁶m〜1×10⁻⁵mの直径を有している。ナノサイズの構造体32は、母材31の内部に非周期的又はランダムに配置することもできる。一部の例示的な実施の形態において、ガラス母材31は、フッ素ドープシリカから成り、別の実施の形態において、ガラスは非ドープ純シリカである。ナノ構造体32の直径は、少なくとも10nmである。

ナノサイズの構造体32は、コア20からファイバー12の外面に向けて光を散乱する。次いで、散乱光は、ファイバー12の外面を通して「拡散し」、所望の照明が提供される。即ち、所望量の光が、ファイバー12の側面を通して、ファイバーの長さに沿って、(散乱によって)拡散される。ファイバー12は、射出放射波長(照明波長)において、50dB/kmを超える散乱誘起減衰を有することができる。コア内を伝播する光の波長に対する散乱誘起減衰は、100dB/kmより大きい。一部の実施の形態において、この波長において、散乱誘起減衰は500dB/kmより大きく、一部の実施の形態において、散乱誘起減衰は、例えば、1000dB/km、2000dB/km超、又は5000dB/km超であり得る。これ等の高散乱損失は、標準のシングルモード及びマルチモード光ファイバーのレイリー散乱損失より約2.5〜250倍高い。

図4を参照すると、別の実施の形態による(図1に示す切断線2−2に沿った)光ファイバー12の概略断面図が開示されている。この実施の形態において、ファイバー12は、3つの領域に分かれたコア20を含んでいる。これ等のコア領域は、例えば、中実(即ち、ナノ構造体を有さない)中央部22、ナノ構造化リング領域26、及び内側環状コア領域26を囲む外側中実部28とすることができる。領域22及び28のガラスは、Ge、Al、及び/又はP等のアップドーパントを含むことができる。本明細書に記載のように、クラッド領域40(「クラッド」)は、環状コア20を囲む内側ガラスクラッド40−1及び外側ポリマークラッド40−2を含んでいる。従って、図3を図4と比較すると、ナノ構造化領域26は、コア半径以下の半径を有することができる。

ファイバー12の一部の実施の形態において、コア部22及び28はゲルマニウムをドープしたシリカ、即ち、ゲルマニウムドープシリカを含んでいる。ゲルマニウム以外のドーパントを、単独又は組み合わせて、光ファイバーのコア、特に中心線16又はその近傍に用いて、所望の屈折率および密度を得ることができる。少なくとも一部の実施の形態において、本明細書に開示の光ファイバーの相対屈折率プロファイルは、コア部22及び28において負ではない。少なくとも一部の実施の形態において、光ファイバーは、コアに屈折率を低下させるドーパントを含んでいない。一部の実施の形態において、本明細書に開示の光ファイバーの相対屈折率プロファイルは、セクション22及び28において、負ではない。本明細書で使用される光ファイバー12の一部の例において、コア20は純シリカを含んでいる。1つの実施の形態において、ファイバーの好ましい属性は、生体物質が反応する所望のスペクトル範囲の光を、ファイバーから外部に散乱させる(光を拡散させる)能力である。別の実施の形態において、散乱光は、装飾的なアクセント及び白色光の用途に用いることができる。散乱による損失量は、ファイバーのガラス特性、ナノ構造化領域26の幅、並びにナノサイズの構造体の大きさ及び密度を変更することによって増加させることができる。

先の実施の形態と同様に、光拡散ファイバー12のコア領域26は、図4の拡大挿入図に詳細に示す例示的な空孔等、内部に複数の非周期的に配置されたナノサイズの構造体(例えば、空孔又はナノ粒子)32を有する、ガラス母材(「ガラス」)31を含んでいる。別の例示的な実施の形態において、フォトニック結晶光ファイバーにおけるように、ナノサイズの構造体32は、周期的に配列されていてもよく、ナノサイズの構造体は、一般に、約1×10⁻⁶m〜1×10⁻⁵mの直径を有している。ナノサイズの構造体32は、母材内部に非周期的又はランダムに配置することもできる。一部の例示的な実施の形態において、ガラス31の領域26は、フッ素ドープシリカであり、別の実施の形態において、ガラスは非ドープ純シリカである。ナノ構造体32の直径は、少なくとも10nmである。

「非周期的に配置された」又は「非周期的配置」とは、(図4に示すような)光ファイバーの断面を取ったとき、ファイバーの一部を横断して、ナノ構造体32がランダム又は非周期的に配置されていることを意味する。ファイバーの長さに沿った異なる点における同様の断面は、異なる断面ナノ構造体パターンを示す、即ち、個々の断面は異なるパターンを有し、ナノ構造体の分布及びナノ構造体の大きさが一致していない。即ち、ナノ構造体32は非周期的、即ち、ナノ構造体はファイバー構造内に周期的に配置されていない。ナノ構造体32は、光ファイバーの長さに沿って(即ち、長手方向軸に平行に)引き延ばす(伸長する)ことができるが、伝送ファイバーの一般的な長さに対し、全ファイバーの全長に延びてはいない。理論に束縛されることを望むものではないが、ナノ構造体は、ファイバーの長さに沿って、10メートル未満、多くの場合、1メートル未満に延びることができる。

前述のように、任意の被覆44によって、二重クラッド領域40を囲むことができる。被覆44は、低モジュラスの一次被覆層、及び高モジュラスの二次被覆層を含むことができる。一部の実施の形態において、被覆層44は、アクリレート系又はシリコーン系ポリマー等のポリマー被覆を含んでいる。別の実施の形態において、被覆はファイバーの長さに沿って一定の直径を有している。一部の例示的な実施の形態において、被覆44は、二重クラッド領域40を通過する「放射光」の分布及び/又は性質を向上させるように設計されている。クラッド40の外面又は任意の被覆44の外側表面は、本明細書に記載のように、ファイバーを伝播する光が散乱によって出射するファイバー12の「側面」48を表わしている。必要に応じ、クラッド40は、保護カバー又はシース(図示ぜず)によって覆われている。

図5を参照すると、実施の形態による光拡散ファイバーの相対屈折率プロット対ファイバー半径の概略図が開示されている。具体的には、図5はファイバー半径R_Cに対し、相対屈折率Δをプロットしたものである。コア20は、例えば、1.7〜2.7のα値(例えば、1.8〜2.3)によって特徴付けられる、グレーデッドコアプロファイルを有することもできる。図示のように、コア領域22は、中心線からその外半径R1に、半径方向外向きに延び、最大屈折率n1(及び相対屈折率パーセントΔ_1MAX)に対応する相対屈折率プロファイルΔ₁(r)を有している。この実施の形態において、基準屈折率n_REFは、クラッドの屈折率である。第2のコア領域(ナノ構造化領域)26は、最小屈折率n2、相対屈折率プロファイルΔ2(r)、最大相対屈折率Δ2_MAX、及び最小相対屈折率Δ2_MINを有し、一部の実施の形態において、Δ2_MAX=Δ2_MINである。第3のコア領域28は、最大屈折率n3と、最大相対屈折率Δ3_MAX及び最小相対屈折率Δ3_MINを有する、相対屈折率プロファイルΔ3(r)を有し、一部の実施の形態において、Δ3_MAX=Δ3_MINである。この実施の形態において、内側環状クラッド40−1は、屈折率n4−1と、最大相対屈折率Δ4−1_MAX及び最小相対屈折率Δ4−1_MINを有する、相対屈折率プロファイルΔ4−1(r)を有している。外側環状クラッド40−2は、屈折率n4−2と、最大相対屈折率Δ4−2_MAX及び最小相対屈折率Δ4−2_MINを有する、相対屈折率プロファイルΔ4−2(r)を有している。一部の実施の形態において、Δ4−2_MAX=Δ4−2_MINである。一部の実施の形態において、Δ1_MAX>Δ4−1_MAX及びΔ3_MAX>Δ4−1_MAX>Δ4−2_MAXである。一部の実施の形態において、Δ2_MIN>Δ4−1_MAXである。図4及び5に示す実施の形態において、Δ1_MAX>Δ3_MAX>Δ2_MAX>Δ4−1_MAX>Δ4−2_MAXである。この実施の形態において、領域の屈折率は、n1>n3>n2>n4−1>n4−2の関係を有している。

本発明によれば、Δ4−1_MAX>Δ4−2_MAX及びn4−1>n4−2である。換言すれば、二重クラッド領域40は、ステップ屈折率プロファイルによって特徴付けられる。この理由は、高NAのクラッド領域は、先に開示した実施の形態と同様に、曲げの下で光を良好に誘導するからである。もしその最外層がガラスであれば、ポリマークラッドによって達成可能であるNA>0.5と比較して、溶融シリカに使用可能なダウンドーパントのレベルによって、実質的に純シリカのクラッドに対し、達成可能な最大NAが<0.3に制限されてしまう。先に開示したように、ポリマー層が存在することによって、ファイバーをコネクタに結合するのがより困難になる。ガラスのクラッドを付加することにより、標準の通信用コネクタを介した光の誘導が可能になる。第2のクラッド層が、良好な曲げ性能に必要な高NAを提供する。1つの実施の形態は、溶融シリカに対し、0.16のNAを有する第1のガラスクラッド、及びそれに続き、溶融シリカに対し0.50のNAを有するポリマークラッドを有している。このファイバーを「コネクタ付き」とする、即ち、光コネクタ100に結合するとき、第2のクラッドをファイバーから物理的に剥離して、0.16のNAのファイバーのガラスに、コネクタを直接接着することができる。NA<0.16のファイバーに光が結合されると、光は誘導される。裸ガラスに剥離することによって、0.16NAのファイバーを、適切なファイバーに融着接続することができることも当業者には明らかである。第2のクラッドがコネクタ100から離間配置されているため、光がファイバーから漏出せず、湾曲した領域において可視強度がより大きくなることはない。代わりに、コアによって伝播される光は、一次ガラスクラッドから出射するが、0.50のNAを有する第2のクラッドによって誘導されてコアに戻される。簡潔に言えば、第1のクラッドによって、光ファイバーに対するファイバー12の結合が容易になるのに対し、第2のクラッドによって、曲げ損失耐性が改善される。ファイバー12の開口数(NA)は、ファイバーに光を誘導する光源のNA以上とすることができる。ファイバー12の開口数(NA)は、0.2より大きく、一部の実施の形態において0.3より大きく、他では0.4より大きくすることができる。これによって、光ファイバー12をLED等のより経済的な光源と組み合わせて使用することができる。

一部の実施の形態において、ナノ構造体を有さないコア領域22、28は、図5に示すように、一定のΔ1(r)及びΔ3(r)で示す、実質的に一定の屈折率プロファイルを有している。一部の実施の形態において、Δ2(r)は、僅かに正(0<Δ2(r)<0.1%)、負(−0.1%<Δ2(r)<0)、又は0%のいずれかである。別の実施の形態において、Δ2(r)の絶対値は0.1%未満であり、実質的に0.05%未満であり得る。更に別の実施の形態において、外側クラッド領域40−2は、図5に示すように、一定のΔ4−2(r)で示す、実質的に一定の屈折率プロファイルを有している。これ等の実施の形態の一部において、Δ4−2(r)=0%である。コア部22は、Δ1(r)≧0%の屈折率を有している。

一部の実施の形態において、ナノ構造化領域26は、ナノ構造化されて複数のナノ構造体32(空孔又は粒子)を備えた、純シリカ母材31を含んでいる。ナノ構造化領域のナノ構造体の存在を考慮した最小相対屈折率及び平均実効相対屈折率はいずれも−0.1%より小さい。空孔32は、アルゴン、窒素、酸素、クリプトン、又はSO₂等の1つ以上のガスを含むことができるか、又は実質的にガスを含まない真空にすることができる。しかし、ガスの有無に関わらず、ナノ構造体32の存在によって、ナノ構造化領域26の平均屈折率は低下する。ナノ構造体32は、ナノ構造化領域26にランダム又は非周期的に配置することができ、別の実施の形態において、空孔は領域内に周期的に配置される。一部の実施の形態において、複数のナノ構造体32は、複数の非周期的に配置されたナノ構造体、及び複数の周期的に配置されたナノ構造体を含んでいる。

一部の実施の形態において、第1のコア領域22のコア外径r₁は24μm以上、かつ50μm以下、即ち、コア外径は、約48〜100μmである。別の実施の形態において、r₁>24マイクロメートル、更に別の実施の形態において、r₁>30マイクロメートル、更に別の実施の形態において、r₁>40マイクロメートルである。一部の実施の形態において、環状内側クラッド部26の50%を超える半径方向幅について|Δ₂(r)|<0.025%であり、別の実施の形態において、領域26の50%を超える半径方向幅について|Δ₂(r)|<0.01%である。陥凹屈折率環状部26は、中心線から半径方向外側に向かって、クラッドの相対屈折率が、最初に−0.05%未満の値に達したところから始まる。

図6A−6Bを参照すると、本発明の別の実施の形態による、図1に示すファイバーのコア領域の詳細図が開示されている。図6Aにおいて、コア20は、ナノ構造化部26に囲まれた中央コア部22を含んでいる。他方図6Bは、中実非ナノ構造化部28に囲まれた、ナノ構造化中央コア部26を示している。ナノ構造化部及び中実部の特性は、先に詳述したとおりである。即ち、ナノ加工領域は、ファイバー内を伝播する光を散乱するように構成された空孔又はフィーチャーを含んでいる。ナノ構造体を有さない部分22、28は、純シリカから成ることができる。前述のように、コア領域部22及び28は、ゲルマニウムをドープしたシリカ、即ち、ゲルマニウムドープシリカを含むことができる。ゲルマニウム以外のドーパントを、単独又は組み合わせて、光ファイバーの部分22、28、特に中心線16又はその近傍に用いて、所望の屈折率および密度を得ることができる。

図7A−7Bを参照すると、本発明の実施の形態による、光ファイバーの終端に用いられるコネクタ部100の断面図が開示されている。はっきり言えば、図7A−7Bは、Corning optical communications、LLCが、商品名Heat−cure Connector、LC、部品番号95−252−LC−BPで販売している、LCコネクタ100の様式図である。しかし、当業者であれば、本発明においては、任意の適切なエポキシ系コネクタ100が利用できることを理解するであろう。

図7Aにおいて、二重クラッドファイバー12は、管壁76から成る円筒状の実質的に中空の管本体74を有する、管68の内部に配置されている。管68の管本体74は、各端部78、80で切断され、オリフィス82、84が各端部78、80において露出している。勿論、管68は光ファイバー12の被覆部60の外径より大きい内径を有しており、光ファイバー12の上に差し込むことができる。

図7Aの方法において、光ファイバー12をフェルールホルダー70に挿入する前に、(裸部分120を形成するために)外側クラッド40−2、被覆60、及びインク層が、光ファイバー12の端部から剥離される。はっきり言えば、光ファイバー12の裸部分120は、コア部20及び内側Fドープガラスクラッド部40−1を含んでいる。具体的には、外側ポリマー被覆40−2の一部(及び外側被覆60)が除去され、フェルールボア96内には挿入されない。光ファイバー12及びその周囲に配置された管68を挿入する前に、他の適切な接着剤の硬化性エポキシ等の接着剤90が、フェルールホルダー路70の一部に配置される。硬化後、接着剤90によって、補強管68及び/又は光ファイバー12が、コネクタ部分組立体のフェルールホルダー路70の内部に固定される。接着剤90は、フェルールホルダー路70に挿入された針等の適切な装置を用いて注入される。その後、光ファイバー12及び支持補強管68が、フェルールホルダー路開口部92及びフェルールホルダー路70に挿入される。

一例として、管68の外径は約900マイクロメートル(μm)、内径は約380マイクロメートル(μm)とすることができる。光ファイバー12の被覆部60は、約250マイクロメートル(μm)の公称直径を有することができ、約125マイクロメートル(μm)の外径を有する、光ファイバー12のコア20と内側クラッド40−1、並びに別に約125マイクロメートル(μm)を付加する被覆から成り、更に別に約3〜4マイクロメートル(μm)を付加する追加の外側インク層を必要に応じて含むことができる。補強管68の内径が、光ファイバー12の被覆部60の外径より大きいため、補強管68の内面と光ファイバー12の外面との間の空間によって、隙間空間86が形成される。この隙間空間86によって、補強管68が、フェルールホルダー路70の内部において、光ファイバー12に接着される前の組み立て中に、補強管68が光ファイバーの周りを移動及び後退(即ち、スライド)することができる。補強管68が、光ファイバー12の裸部分120が補強管68の外部に露出するように、光ファイバー12の端部上にスライドされる。補強管68は、補強管68の端部80が、光ファイバーケーブル20に挿入されるように、光ファイバー12に沿って移動可能である。例えば、組み立て中、補強管68の端部80は、チキソトロピー性グリース又はゲルで満たされた、光ファイバーケーブル20のバッファ管内に延ばすことができ、それによって、補強管68の内部に閉じ込められたガスの漏出が防止される。

図7Bは、管68及び光ファイバー12が、フェルールホルダー路70及び接着剤90に挿入された、コネクタ100の部分組立体の断面図である。管68の端部78がフェルールホルダー路70に挿入され、漏斗状開口部94に当接している。光ファイバー12及びその周囲に配置された管68が、フェルールホルダー路70に延びるにつれて、両者は接着剤90に出会って、接着剤を通して挿入されることになる。このようにして、本明細書に示すように、接着剤90は、管68及び内部に担持された光ファイバー12を囲むことになる。接着剤90は、管68内部の隙間空間86及びその周囲、並びに漏斗状導入開口部94(「漏斗状開口部94」とも呼ぶ)の内部にも広がり、フェルール22の前面に延びるフェルールボア96に達する。接着剤90は、フェルールホルダー路70及び漏斗状開口部94内部において、光ファイバー12及び補強管68を囲み、コネクタ部分組立体16内部において、光ファイバー12及び/又は補強管68を固定することになる。漏斗状開口部94の初期径は、一般に、管68の外径より僅かに大きくなるように設計されている。従って、管68が漏斗状開口部94の内部に挿入されることにより、管68がフェルールボア96に位置合わせされることになる。しかし、漏斗状開口部94の直径が小さくなることによって、管68がフェルールボア96の内部に延びることが防止される。従って、光ファイバー12の裸部分120のみがフェルールボア96に入ることができる。管68が光ファイバー12より大きい内径を有しているため、管は光ファイバー12の周りを移動する傾向あり、光ファイバー12の裸部分120が、フェルールボア96の内部に延びることになる。簡潔に言えば、管68が漏斗状開口部94又は僅かにその内部で当接した状態になる一方、管68によって、光ファイバー12の裸ファイバー部分120が、フェルールボアに延び貫通することができる。

図8A−8Bを参照すると、本発明による照明器具200の概略図が開示されている。これ等の図は、様式化されているが、即ち、光ファイバー12を単純なループとして示しているが、読者は、照明器具200が任意の適切な形状に適合するように構成して、任意の数の標識又は特殊照明構成を採ることができることが理解できるであろう。具体的には、照明器具200内部の光ファイバー光源12は薄くて、柔軟であり、かつ、人間が読める証印(文字、数字、記号等)、情景、自動車用照明装置、建築用照明装置(例えば、照明板ガラス、ガラスブロック、壁洗浄器具等)のような様々な異なる形状に容易に変えることができる。簡潔に言えば、照明器具200は、200nm〜2000nmの少なくとも1つの波長を有する光を生成する、少なくとも1つの光源150を備えている。光源はレーザー、レーザーダイオード、又はLED光源で実施することができる。

次に、図8Aにおいて、照明器具200は、一端13Aにおいて、前述の光ファイバーコネクタ100によって光源150に光学的に結合された、低散乱光誘導光ファイバー12Aを備えている。低散乱光誘導光ファイバー12Aは、例えば、スプライス部材164によって、二重クラッド光拡散光ファイバー12の入力端部13に光学的に結合された、別の端部14Aを有している。光拡散光ファイバー12は、様々な方法で構成することができるインタフェース領域170に延びている。1つの実施の形態において、インタフェース領域170は、光ファイバーの端部を単に終端することができる。別の例において、インタフェース領域170は、光拡散光ファイバー12の端部14に光学的に結合されたミラーを含んで構成されている。更に別の例において、インタフェース領域170は、散乱光152S又は導波光152Gが、例えば、ミラーによる反射によって光源150に戻るのを防止するために、低散乱光誘導光ファイバー12Aに配置構成された光アイソレータを含んで構成される。

動作において、光源150は、導波光152Gとして光ファイバー12A及び12内を伝播する光152を発する。光拡散光ファイバー12内を伝播する導波光152Gは、散乱光152Sとしてファイバーから散乱する。光拡散光ファイバー12は、巻設コイル又は任意の妥当な形状に構成することができる。

次に、図8Bを参照すると、別の例示的な実施の形態の照明システム300が開示されている。システム300は、前述の光ファイバーコネクタ100によって、低散乱光導電性光ファイバー12Aのそれぞれの部分に結合された、2つの光源150を備えている。光源150は、光散乱光ファイバー12において、散乱光152Sを生成する逆伝播導波光152Gを提供するように構成され、光ファイバー12の長さに沿って色が移動することができる。前述のように、光ファイバー12は、単純なループ構成で配置されているものとして示されている。前述のように、照明器具300内部の光ファイバー12は薄くて、柔軟であり、かつ、人間が読める証印(文字、数字、記号等)、情景、自動車用照明装置、建築用照明装置(例えば、照明板ガラス、ガラスブロック、壁洗浄器具等)のような様々な異なる形状に容易に変えることができる。

本明細書に記載のエポキシ系光コネクタ100及び二重クラッドファイバー12を採用することによって、ハードウェア及びシステム200、300の組み立ての両方に関連するコストが大幅に削減することができる。更に、相互接続(12、100)の堅牢な性質により、システム(200、300)の性能及び信頼性が大幅に改善される。具体的には、光ファイバー12がコネクタ100によって終端されるとき、ファイバーが適切に光を誘導するように、光学クラッドが、コネクタ100の内部において、元のままの状態を維持する必要がある。外側光学プラスチッククラッド40−2を除去することによって、内側ガラスクラッド40−1が、コネクタ100によって、確実かつ堅牢に終端することができるため、コネクタ100を通して光を正確に誘導することができる。エポキシ系のコネクタ100は、ガラスクラッドを有するファイバー用に開発された、標準の光ファイバー技術であるため、光拡散ファイバー12を中心にした照明器具200の信頼性及び性能が大幅に改善される一方、コストが劇的に低減される。

更に、本明細書に記載の二重クラッド構成により、(コネクタ100から離れたすべての領域において、元のままの状態を維持している外側ポリマークラッド40−2の存在により)実質的に均一な輝度を維持しながら、複数のファイバー湾曲部を特徴とする照明又は装飾照明システム100に、光拡散ファイバー12及び取り付けコネクタ100を使用することができる。

このように、本発明は、(一般に、すべてがガラスから成るファイバー用途に使用される)信頼性が高く、堅牢で、安価なエポキシ系コネクタ100から得られる恩恵と、(高NAによる)低屈折率プラスチッククラッドファイバーの柔軟性から得られる恩恵とを組み合わせたものである。簡潔に言えば、本発明独自の光ファイバーは、両技術からの恩恵を最大にしつつ、その欠点を除去又は大幅に軽減したものである。

特許請求の範囲の精神及び範囲を逸脱せずに、様々な改良及び変形が可能であることは、当業者には明らかであろう。

以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。

実施形態1 光ファイバーであって、 コア半径によって特徴付けられ、第1の端部及び第2の端部を有するガラスコア領域であって、前記第1の端部と前記第2の端部との間の少なくとも1つの所定の半径方向セグメント内に配置された、少なくとも1つのナノ構造化領域を含み、該少なくとも1つのナノ構造化領域が、前記ガラスコア領域が、平均屈折率n_avgを有するように、前記ガラスコア領域内を伝播する光を散乱するように構成された、ナノサイズの構造体を含み、前記少なくとも1つのナノ構造化領域が、前記コア半径以下のナノ構造化領域半径によって特徴付けられる、ガラスコア領域と、 前記ガラスコア領域を囲む内側ガラスクラッド領域であって、n_avgより小さい内側クラッド屈折率n₂を有する内側ガラスクラッド領域と、 前記内側ガラスクラッド領域を囲む外側クラッド領域であって、n₂より小さい外側クラッド屈折率n₃を有し、屈折率差n₂−n₃が曲げ均一性直径に対応する、外側クラッド領域と、 を備え、ファイバー曲げ位置において、前記外側クラッドを出射する光が、前記ファイバー曲げ位置の曲げ直径が、前記曲げ均一性直径より小さいとき、実質的に不均一である光ファイバー。

実施形態2 前記ガラスコア領域と前記内側ガラスクラッドの直径が、約125マイクロメートルに実質的に等しい、実施形態1記載のファイバー。

実施形態3 前記少なくとも1つのナノ構造化領域の断面が、実質的に円形であって、前記断面の原点が、前記光ファイバーの中心長手軸に実質的に対応している、実施形態1又は2記載のファイバー。

実施形態4 前記少なくとも1つの所定の半径方向セグメントが、前記コア半径に実質的に等しい、実施形態3記載のファイバー。

実施形態5 前記少なくとも1つの所定の半径方向セグメントが、前記コア半径より実質的に小さい、実施形態3記載のファイバー。

実施形態6 前記少なくとも1つの所定の半径方向セグメントが、前記コア半径より実質的に小さく、前記少なくとも1つのナノ構造化領域の断面が、前記ガラスコア領域の第1の部分であってナノサイズの構造体を含まない部分の周囲に配置された、環状リングとして特徴付けられる、実施形態1記載のファイバー。

実施形態7 前記環状リングが、ナノサイズの構造体を含まない、前記ガラスコア領域の前記第1の部分と第2の部分との間に配置された、実施形態6記載のファイバー。

実施形態8 前記内側ガラスクラッド領域がフッ素でドープされている、実施形態1〜7のいずれかに記載のファイバー。

実施形態9 前記外側クラッド領域がポリマー材料を含む、実施形態1〜7のいずれかに記載のファイバー。

実施形態10 前記ポリマー材料、フッ素ドープアクリレート材料、シリコーン材料、又は「テフロン」材料を含むポリマー材料の群から選択される、実施形態9記載のファイバー。

実施形態11 光の波長において、実質的に50dB/km〜5,000dB/kmの散乱誘起減衰によって特徴付けられる、実施形態1〜10のいずれかに記載のファイバー。

実施形態12 コア半径によって特徴付けられ、第1の端部及び第2の端部を有するガラスコア領域を含む、光ファイバーを用意するステップであって、前記ガラスコア領域が、前記第1の端部と前記第2の端部との間の、少なくとも1つの所定の半径方向セグメント内に配置された、少なくとも1つのナノ構造化領域を含み、該少なくとも1つのナノ構造化領域が、前記ガラスコア領域が、平均屈折率n_avgを有するように、前記ガラスコア領域内を伝播する光を散乱するように構成された、ナノサイズの構造体を含み、前記少なくとも1つのナノ構造化領域が、前記コア半径以下のナノ構造化領域半径によって特徴付けられ、前記光ファイバーが、ガラスコア領域を囲む内側ガラスクラッド領域も含み、該内側ガラスクラッド領域が、n_avgより小さい内側クラッド屈折率n₂を有し、前記光ファイバーが、前記内側ガラスクラッド領域を囲む、外側ポリマークラッド領域を更に含み、該外側クラッド領域が、n₂より小さい外側クラッド屈折率n₃を有し、屈折率差n₂−n₃が曲げ均一性直径に対応し、ファイバー曲げ位置において、前記外側クラッドから出射する光が、前記ファイバー曲げ位置の曲げ直径が、前記曲げ均一性直径より小さいとき、実質的に不均一である、ステップと、 フェルールボア長を有するフェルール部を含む、光ファイバー用コネクタを用意するステップと、 前記外側ポリマークラッド領域の一部を除去するステップであって、前記外側ポリマークラッド領域の前記一部が、前記フェルールボア長に実質的に対応する長さを有する、ステップと、 前記光ファイバーの一部を、所定の距離、前記フェルールボアの内部に挿入するステップであって、前記所定の距離が、前記外側ポリマークラッド領域の前記除去された部分の長さに実質的に対応し、前記ガラスコア領域及び前記内側ガラスクラッド領域のみが、前記フェルールの内部に配置される、ステップと、 を備えた方法。

実施形態13 前記フェルールボアに硬化性エポキシを挿入するステップであって、前記光ファイバーの前記一部が前記フェルールボアの内部に固定される、ステップを更に備えた、実施形態12記載の方法。

実施形態14 前記ガラスコア領域と前記内側ガラスクラッド領域の直径が、約125μmに実質的に等しい、実施形態12又は13記載の方法。

実施形態15 前記内側ガラスクラッド領域が、フッ素でドープされ、前記ポリマー材料が、フッ素ドープアクリレート材料、シリコーン材料、又は「テフロン」材料を含むポリマー材料の群から選択される、実施形態12、13、又は14記載の方法。

実施形態16 照明器具であって、 コア半径によって特徴付けられ、第1の端部及び第2の端部を有するガラスコア領域を含む、光散乱光ファイバーであって、前記ガラスコア領域が、前記第1の端部と前記第2の端部との間の、少なくとも1つの所定の半径方向セグメント内に配置された、少なくとも1つのナノ構造化領域を含み、該少なくとも1つのナノ構造化領域が、前記ガラスコア領域が、平均屈折率n_avgを有するように、前記ガラスコア領域内を伝播する光を散乱するように構成された、ナノサイズの構造体を含み、前記少なくとも1つのナノ構造化領域が、前記コア半径以下のナノ構造化領域半径によって特徴付けられ、前記光ファイバーが、ガラスコア領域を囲む内側ガラスクラッド領域を含み、該内側ガラスクラッド領域が、n_avgより小さい内側クラッド屈折率n₂を有し、前記光ファイバーが、前記内側ガラスクラッド領域を囲む、外側ポリマークラッド領域も含み、該外側ポリマークラッド領域が、n₂より小さい外側クラッド屈折率n₃を有し、屈折率差n₂−n₃が曲げ均一性直径に対応し、ファイバー曲げ位置において、前記外側クラッドから出射する光が、前記ファイバー曲げ位置の曲げ直径が、前記曲げ均一性直径より小さいとき、実質的に不均一である、光ファイバーと、 前記光ファイバーに結合され、該光ファイバーの内部に光を誘導するように構成された光源であって、前記光が前記ナノサイズの構造体によって散乱され、前記外側ポリマークラッド領域を通して放出される、光源と、 を備えた照明器具。

実施形態17 前記光ファイバーに結合された光ファイバー用コネクタであって、フェルールボア長を有するフェルール部を含み、前記光ファイバーの一部が、前記フェルールボアの内部に配置され、硬化性エポキシによって前記内部に固定され、前記フェルールボアの内部に配置された、前記光ファイバーの前記一部から、前記外側クラッド領域が除去されて成る、コネクタを更に備えた、実施形態16記載の照明器具。

実施形態18 前記ガラスコア領域と前記内側ガラスクラッド領域の直径が、約125μmに実質的に等しい、実施形態16又は17記載の照明器具。

実施形態19 前記光が、実質的に200nm〜2000nmの範囲の少なくとも1つの波長によって特徴付けられる、実施形態16、17、又は18記載の照明器具。

実施形態20 前記光源が、少なくとも1つのLED、少なくとも1つのレーザー、又は少なくとも1つのレーザーダイオードを含む、実施形態16、17、18、又は19記載の照明器具。

12 二重クラッド光拡散光ファイバー 12A 低散乱光誘導光ファイバー 20 コア 22 フェルール 26 ナノ構造化領域 31 ガラス母材 32 ナノサイズの構造体 40−1 内側ガラスクラッド 40−2 外側ポリマークラッド 60 光ファイバーの被覆部 68 補強管 70 フェルールホルダー路 74 管本体 90 接着剤 94 漏斗状導入開口部 96 フェルールボア 100 コネクタ 120 裸部分 150 光源 164 スプライス部材 170 インタフェース領域 200、300 照明器具(照明システム)