JP2011526704A - 環境センサのための、中空コア・スロット付きｐｂｇ光ファイバを形成するためのプリフォームおよび方法 - Google Patents

Abstract

環境センサに用いるための、中空コア・スロット付きフォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）光ファイバを形成するためのプリフォームと、このようなプリフォームを用いて上述のファイバを形成する方法が開示されている。上記プリフォームは、中空コア・スロット付きＰＢＧ棒体を取り囲むスロット付きクラッド管を備えている。上記クラッド管および上記ＰＧＢ棒体のスロットは、細長く形成されかつ互いにほぼ整列している。上記プリフォームが線引きされると、双方のスロットが合体して、得られた中空コアＰＢＧファイバに側方に開口した細長い開口部すなわちスロットを形成する。或る場合には、上記スロットが線引きによって中空コアに達するが、他の場合には、スロットを延ばして中空コアに接続するための二次工程が用いられる。上記ファイバは、環境中の目標物質の存在を検知するための環境センサを形成するのに用いられる。上記ファイバのＰＢＧ領域に形成されたスロットは、リッジ導波路を形成し、その場合、さもなければ拘束されたモードとして中空コアに閉じ込められる光の一部がスロット内を伝播する。目標物質はファイバ内を伝播する光に影響を与え、目標物質が検出されるのを可能にする。

Description

関連出願の説明

本願は、その内容の全てが本明細書に引用されて組み入れられる、２００８年６月２６日付けで提出された米国非仮特許出願第１２／１４６９２８号に優先権を主張した出願である。

本発明は、概して環境センサのための光導波路の形成方法に関し、特に、環境センサに用いるための中空コア・スロット付き・フォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）光ファイバを形成するためのプリフォーム、およびこのプリフォームを用いた上記ファイバの形成方法に関するものである。

中空コアを有する光ファイバの形態の環境センサが従来技術において知られている。このようなセンサに用いられるファイバの中空コアは一般に、この中空コアを取り囲むフォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）構造を通じて光を伝送する。特定の波長範囲に対する全反射（ＴＩＲ）によって光を伝送する中空コアも知られてはいるが、上記ＰＢＧ構造は、ファイバを通じて送信される光の波長に対応する「禁制周波数範囲」を生じさせる。このようなセンサは、周囲環境における特定の気体または液体等の「目標物質」の存在を検出するのに用いられる。上記目標物質は、例えば火災またはその他の危険な状態を示す大気内の二酸化炭素の閾値量である。

一つの従来構成においては、光ファイバの中空コアが、ファイバの一端または両端において大気に曝される。動作時には、検出されるべき特定のガス組成によって吸収される波長を有するレーザー光が、ファイバの中空コアを通じて継続的に伝送される。このようなガスが大気からファイバの開放端に導入されると、そのガスは中空のコアを流れ始める。ガスが上記レーザー光を吸収するために、コアを通って伝送されるレーザー光の振幅が減衰する。前述した二酸化炭素の場合、特定の減衰閾値が用いられて、火災報知回路を起動させる信号を発生させる。

このような環境センサは、大気中の種々のガス組成物、有機または無機微粒子、または水蒸気滴、およびファイバが液体中に漬けられているときの種々の液体組成物等の幅広い種々の目標物質の検出に用いることができる。したがって、このようなセンサは、燃焼生成物または汚染物質または有毒物質の検出のみでなく、特定の気体または液体の組成の制御を必要とする工業生産工程における制御用または監視用のセンサとして広い用途を有する。

中空のコアを直接的に大気に曝す細長い側方開口部を備えた光導波路環境センサは、ここに引用されて本明細書に組み入れられる同一出願人による「光導波路環境センサおよび製造方法」と題する特許文献１に開示されている。上記細長い側方開口部は、所謂「光学リッジ導波路」を形成する。光学リッジ導波路は一般に、或る材料からなる幅狭のリッジ（細長い畝）が第２の材料（または同じ材料）からなるスラブ（板状体）の上面に乗っているものを含む。より低い屈折率を有する第３の材料（空気であることが多い）が上記リッジおよび上記スラブの上面を取り囲み、これにより屈折性導波機構を提供する。上記スラブは、より低い屈折率を有するサブストレート上に乗っており、このサブストレートは一般に上記リッジと同じ厚さを有しかつ補足的な垂直閉じ込め手段を提供する。

米国特許第７,３４３,０７４号明細書

光学リッジ導波路は、その製作が容易なため魅力的である。材料構造は平面層に作製され、次いで選択された領域における当初構造のリッジを残して材料層を除去することによって導波路が画成される。大多数のリッジ導波路は、半導体産業における周知の技術を用いて、リソグラフィーにより画成され、次いでエッチングされる平面デバイスである。しかしながら、光ファイバを主要素とする導波路に、特にファイバの中空コアを周囲環境に曝すために、細長い側方開口部に頼る光ファイバを主要素とする環境センサに、このような構造を形成するのは極めて困難である。例えば、光ファイバに細長い側方開口部、すなわち「スロット」を形成するための一つの方法は、レーザー加工を利用することである。残念ながら、ファイバにスロットを切り込むためにレーザーが用いられると、ファイバの強度に悪影響を与える可能性がある。それに加えて、レーザー加工または機械加工により光ファイバに長いスロットを形成することは困難な仕事である。

したがって、ファイバの線引き後にはスロットを形成することを要しない中空コア・スロット付きＰＲＧ光ファイバの形成方法が必要とされている。

本発明の第１の態様は、スロット付きフォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）光ファイバを形成するためのプリフォームである。このプリフォームは、第１の中心軸線、前端、後端、開口内部を画成する内表面、および外表面を有する１本の円筒状クラッド管を備えている。このクラッド管は、上記外表面に、上記内表面まで貫通して形成されかつ前端および後端を有する第１の細長いスロットを有する。上記プリフォームはまた、第２の中心軸線、この第２の中心軸線に沿って配置されかつ第２の中心軸線にほぼ心合せされた中空コアを有するＰＢＧ領域、およびＰＢＧ領域を取り囲みかつ外表面を有する密実な外側領域を有する１本の棒体を備えている。この棒体は、上記密実な外側領域の外表面に形成された第２の細長いスロットを有する。上記棒体は、上記第１および第２の中心軸線がほぼ一致し、かつ前記第１および第２の細長いスロットがほぼ整列した状態で上記クラッド管の内部内に配置されている。

本発明の第２の態様は、中空コア・スロット付きＰＢＧ光ファイバの形成方法である。この方法は、第１の細長いスロットを有しかつ１本の棒体を取り囲む１本のクラッド管を備えたプリフォームを提供することを含む。上記棒体は、中心に中空コアを有する中心のＰＢＧ領域を取り囲む密実な外側領域を有する。この棒体はまた、上記密実な外側領域の外表面内に形成された第２の細長いスロットを有する。上記第１および第２の細長いスロットはほぼ整列している。この方法はまた、上記プリフォームを線引きして、そこに形成された細長いスロットを有する中空コアＰＢＧ光ファイバを形成することを含む。

本発明の第３の態様は、中空コア・スロット付きＰＢＧ光ファイバを形成するためのプリフォームの形成方法である。この方法は、第１の中心軸線、前端、後端、開口内部を画成する内表面、および外表面を有する１本の円筒状クラッド管を提供することを含む。この方法はまた、第２の中心軸線、この第２の中心軸線に沿って配置されかつ第２の中心軸線にほぼ心合せされた中空コアを有するＰＢＧ領域、およびＰＢＧ領域を取り囲みかつ外表面を有する密実な外側領域を有する１本の棒体を提供することをも含む。この方法はまた、上記クラッド管の外表面に、上記内表面まで貫通して形成されかつ前端および後端を有する第１の細長いスロットを形成し、かつ上記棒体の外表面に、上記密実な外側領域内に延びる第２の細長いスロットを形成することをも含む。この方法はまた、上記クラッド管の内部に上記棒体を、上記第１および第２の中心軸線がほぼ一致しかつ上記第１および第２のスロットがほぼ整列した状態で配置することをも含む。この方法は、上記棒体を上記クラッド管内に配置した後、単一スロット形成工程を用いて上記第１および第２のスロットを形成することを随意的に含む。これらのスロットは、個別に形成されかつ双方のスロットがほぼ整列するように上記クラッド管と上記棒体とが組み合わせられることができる。

本発明のさらなる特徴および効果は下記の詳細な説明中に記述されており、当業者であれば、その記述内容から或る程度は直ちに明らかになり、あるいは、下記の詳細な説明、請求項および添付図面を含んで説明される本発明を実施することによって認識されるであろう。本発明の上述の概略説明ならびに下記の典型的な実施の形態の詳細説明の双方は、請求項に記載された本発明の本質および性格を理解するための概観および骨子の提供を意図したものである。添付図面は、本発明をさらに理解するために提供されたものであって、本明細書に組み入れられかつその一部を構成するものである。図面は本発明の種々の実施の形態を示し、かつ詳細な説明とともに本発明の原理および動作の説明に資するものである。

本発明のこれらおよびその他の特徴、態様および効果は、添付図面を参照しながら下記の詳細説明が読まれる場合に、より良く理解されるであろう。

典型的な中空コア・スロット付きフォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）プリフォームの斜視図である。 ＰＢＧ棒体のスロットがＰＢＧ領域には達していない、図１のＰＢＧプリフォームの第１の典型的な断面図である。 ＰＢＧ棒体のスロットがＰＢＧ領域内に延びている、図１のＰＢＧプリフォームの第２の典型的な断面図である。 ＰＢＧ棒体のスロットが中空コアＰＢＧ領域内まで延びている、図１のＰＢＧプリフォームの第３の典型的な断面図である。 クラッド管内にＰＢＧ棒体を配置する以前に両スロットが形成される本発明の一つの典型的な方法を用いてプリフォームを形成する場合の、組み合わされる以前のクラッド管およびＰＢＧ棒体の斜視図である。 ＰＢＧ棒体のスロットがクラッド管のスロットよりも幅広い、図１のＰＢＧプリフォームの第４の典型的な断面図である。 クラッド管とＰＢＧ棒体との間の界面を除去するようにプリフォームが処理された、図１のＰＢＧプリフォームの第５の典型的な断面図である。 本発明のＰＢＧプリフォームから、中空コア・スロット付きＰＢＧファイバを形成するのに適した一般化された光ファイバ線引き装置の概略図である。 クラッド管を貫通させてＰＢＧ棒体の途中まで切り込むがＰＢＧ領域までは切り込まない単一切込み作業によってプリフォームの双方のスロットが形成されたＰＢＧプリフォームを用いて形成された、典型的な中空コア・スロット付きＰＢＧファイバの断面写真である。 スロットが中空コアに連結された、完成された中空コア・スロット付きＰＢＧファイバの典型的な実施の形態を示す概略的断面図である。 線引きされたファイバに、覆われたスロットを形成するために、スロット付きクラッド管が、スロットの無い薄いクラッド管によって取り囲まれている、ＰＢＧプリフォームを用いて形成された典型的な中空コア・スロット付きＰＢＧファイバの断面写真である。 図１０のスロット付きＰＢＧファイバを形成するために用いられるプリフォームの断面図である。 単一の研削作業を行なうことによってそれぞれのプリフォームスロットを形成する以前に、一体構造を形成するようにプリフォームが処理された典型的なＰＢＧプリフォームの断面写真である。 本発明の中空コア・スロット付きＰＢＧファイバを用いる光導波路環境センサの典型的な実施の形態の概略図である。

ここで、添付図面中に本発明の実施例が示されている本発明の好ましい実施の形態が参照される。全図を通じて、同一または類似の部品に対しては可能な限り同一参照番号および記号が用いられている。下記の説明において、「上方」、「下方」、「前方」、「後方」、「頂部」、「底部」、「垂直」、「水平」等は、説明のために用いられる相対的な用語であって、方向の限定に用いられるものではない。

本発明は、ファイバに沿って長手方向に延びる細長い開口部、すなわち「スロット」を備えた、中空コア・フォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）光ファイバを形成するためのプリフォームおよび方法に関するものである。このスロット付きＰＢＧ光ファイバは、スロット付きプリフォームを用いて形成され、かつこのスロットは、上記プリフォームを、スロット付きＰＢＧファイバに線引きする間維持されている。このことは、ファイバが形成された後にスロットを形成する必要性を未然に防いでいる。

一旦プリフォームが形成されると、フォトニックバンドギャップ・ファイバを形成するための常套的な多くの技法のうちの何れか一つを用いて、中空コア・スロット付きＰＢＧファイバが形成される。フォトニックバンドギャップ光ファイバを形成することに関して、本出願人が所有しており、本発明とともに用いるのに適した、かつここに引用されて本明細書に組み入れられる特許を下記に記載する。すなわち、米国特許第６,２４３,５２２号明細書、米国特許第６,８４７,７７１号明細書、米国特許第６,４４４,１３３号明細書、米国特許第６,７８８,８６２号明細書、米国特許第６,９１７,７４１号明細書、米国特許出願公開第２００４／０２２８５９２号明細書、米国特許出願公開第２００７／０２６６７３８号明細書、国際公開第０１／３７００８号パンフレット、および米国特許出願第１０／１７１,３３５号明細書。

上記中空コア・スロット付きＰＢＧ光ファイバは、一旦形成されると、下記に説明されている光導波路環境センサを形成するために用いることができる。

フォトニックバンドギャップ・プリフォーム
図１は、本発明による典型的なＰＢＧプリフォーム１０の概略的斜視図である。図２〜図４は、この典型的なプリフォームのＣ−Ｃ線に沿った第１、第２および第３の典型的な断面図である。プリフォーム１０は、中心軸線２２、内部２５を画成する内表面２４、外表面２６、前端３０、および後端３２を有する円筒状のクラッド管２０を備えている。クラッド管２０は、一般にシリカ等の光ファイバ・クラッドを構成する材料から作製されている。

クラッド管２０は、外表面２６に形成されかつ内表面２４に貫通する１本のスロット４０を備えている。典型的な実施の形態においては、スロット４０は半径方向を向いている。別の実施の形態（不図示）においては、スロット４０が半径方向を向いていなくても（すなわち、接線方向を向いていても）もよい。スロット４０は、クラッド管２０の長手方向に中心軸線２２と平行に延びているのが好ましく、かつ前端４２および後端４４、幅Ｗ_１および長さＬ_１を有する。スロット４０は、クラッド管２０の長さの約２０％から約５０％まで等と１００％まで延びることが可能である。典型的な実施の形態において、スロット４０は、約０．０６インチ（１．５ｍｍ）から０．２インチ（５ｍｍ）までの範囲内の幅Ｗ_１を有し、特に典型的な実施の形態においては、Ｗ_１が約０．０７インチ（１．８ｍｍ）である。また、典型的な実施の形態において、スロット４０は、約４インチ（１０ｃｍ）から８インチ（２０ｃｍ）までの範囲内の長さＬ_１を有し、特に典型的な実施の形態においては、長さＬ_１が約４インチ（１０ｃｍ）である。典型的な実施の形態において、スロット４０の前端４２は、チューブの前端３０から距離Ｄ_１だけ離れている。典型的な実施の形態において、距離Ｄ_１は約１インチ（２５ｍｍ）から２インチ（５０ｍｍ）までの範囲内であり、特に典型的な実施の形態においては、距離Ｄ_１が約１．５インチ（３８ｍｍ）である。

プリフォーム１０はまた、クラッド管２０の内部に存在する棒体６０を備えている。図５は、それらを組み合わせてプリフォーム１０を形成する以前のクラッド管２０および棒体６０を示す。は、棒体６０は、中心軸線６２、外表面６６、前端６８、および後端７０を備えている。棒体６０はまた、中心軸線７２に心合せされたＰＢＧ領域７６を取り囲む密実な外側領域７２（例えばシリカ）を備えており、以後これを「ＰＢＧ棒体」６０と呼ぶ。ＰＢＧ領域７６は、実質的に棒体の中心軸線６２に沿って配置された中空コア８０を含む格子形式の微小構造を備えている。ＰＢＧ領域７６は、中空コア８０の内部において少なくとも一つの光学モードを閉じ込める役目を有する「バンドギャップ」すなわち「禁制帯」を創出するように構成されている。典型的な実施の形態において、ＰＢＧ領域７６は、図２の典型的な断面図に示された六角形側面等の、一つまたは複数の「平坦な側面」７７を備えている。

典型的な実施の形態において、ＰＢＧ領域７６は、多数の気孔８４からなるパターン等の種々の屈折率を有する種々の光伝送材料からなるパターンを備えている。あるいはＰＢＧ領域７６は、形式の異なる二種類のガラス、またはガラスとプラスチック材料等の異なる二種類の固体光伝送材料からなる別のパターンから形成される。ＰＢＧ領域７６は、二つの材料の屈折率における差が上述の「禁制帯」を効果的に創出する限り、これらの材料からなる他の層から形成されていてもよい。

ＰＢＧ棒体６０は、外表面６６に形成されてこの棒体の外側領域７２内に延びる１本のスロット１００を備えている。典型的な実施の形態において、スロット１００は半径方向を向いている。別の実施の形態（不図示）においては、スロット１００が非半径方向（すなわち接線方向）を向くことができる。スロット１００は棒体６０の長手方向に沿って延び、かつ棒体の前端６８に開口する前端１０２と、後端１０４と、底１１０とを有するのが好ましい。スロット１００は幅Ｗ_２および長さＬ_２を有する。別の実施の形態（不図示）においては、スロットの前端１０２が棒体の前端６８から離れており、その距離は距離Ｄ_１と同一でも、短くても、長くてもよい。スロット１００は、棒体６０の長さの約２０％から約５０％までと、棒体の長さの１００％まで延びることができる。典型的な実施の形態において、スロット１００は、０．０６インチ（１．５ｍｍ）から０．２インチ（５ｍｍ）までの範囲内の幅Ｗ_２を有し、特定の実施の形態においては、幅Ｗ_２が約０．０７インチ（１．８ｍｍ）である。それぞれの実施の形態において、Ｗ_１＜Ｗ_２，Ｗ_１＞Ｗ_２およびＷ_２≧Ｗ_１である。

また、典型的な実施の形態においては、スロット１００が約４インチ（１０ｃｍ）から８インチ（２０ｃｍ）までの長さＬ_２を有し、特に典型的な実施の形態においては、Ｌ_２が約５．５インチ（１４ｃｍ）である。典型的な実施の形態において、スロット１００の底１１０は棒体の外側領域７２の範囲内であり、図２に示されているように、ＰＢＧ領域７６から距離Ｄ_２だけ離れているが、別の典型的な実施の形態においては、図３に示されているように、スロットの底がＰＢＧ領域７６の内部にある。図４は、図１のＰＢＧプリフォーム１０の第３の典型的な実施の形態の断面図であり、ＰＢＧ棒体のスロット１００が中空コア８０内まで延びており、この場合はスロットが底１１０を有しない。

それぞれの典型的な実施の形態においては、Ｌ_１＜Ｌ_２，Ｌ_１＞Ｌ_２およびＬ_１＝Ｌ_２。

図６は、図１のＰＢＧプリフォーム１０の第４の典型的な実施の形態であり、クラッド管のスロット４０が棒体のスロット１００よりも幅が狭い（例えば、Ｗ_１＝０．０６５インチ（１．７ｍｍ）かつＷ_２＝０．０８８インチ（２．２ｍｍ））。外側のスロット４０の方が狭いと、線引き工程時の熱の浸透を軽減し、かつスロットの変形およびファイバ構造の変形をも軽減する。

図１〜図４および図６に示されているように、ＰＢＧ棒体６０が、中心軸線２２および６２がほぼ一致するようにクラッド管２０の内部２５に配置された態様でプリフォーム１０が形成されている。同様に、クラッド管のスロット４０と、その内側にある棒体のスロット１００とがほぼ整列している。一つの典型的な実施の形態において、クラッド管のスロット４０と棒体のスロット１００とは、例えば別個の加工工程により別々に形成され、次いでＰＢＧ棒体６０がクラッド管２０の内部２５に配置され、かつ双方のスロットが実質的に整列せしめられる。別の表的な実施の形態においては、クラッド管２０の内部２５にＰＢＧ棒体６０が配置され、次いで、クラッド管２０を通じてＰＢＧ棒体に切込みを入れることによって双方のスロットが形成される。一つの典型的な実施の形態において、スロット４０および／または１００は、幅の狭い（例えば３ｍｍ）ダイアモンド研削ホイールを用いる等の加工工程を用いて形成される。スロット４０および／または１００の形成においては、研削に加えて、エッチング、フライス加工、レーザー加工、融解および／または溶出等の他の加工工程も利用可能である。

図７に示された一つの典型的な実施の形態においてもＰＢＧプリフォーム１０が処理（例えば熱処理）されて、クラッド管２０とＰＢＧ棒体６０の間の界面が除去された一体構造を形成している。この実施の形態においては、処理がＰＢＧプリフォーム１０の線引き（または予線引き）を含む。図７の実施の形態においては、クラッド管２０がＰＢＧ棒体の外側領域７２と融合して密実なクラッド領域７３を形成している。後述のように、ファイバ２０２が線引きされるときにクラッド管２０とＰＢＧ棒体の外側領域７２とが融合して一体の外側クラッド３７３を形成しているために、密実なクラッド領域７３は、「予め融合された」領域として考えることができる。同様に、クラッド管・スロット４０およびＰＢＧ棒体スロット１００は予線引き工程において合体して（または「予め合体」して）、クラッド領域７３内に（そして随意的にＰＢＧ領域７６内へ延びる）単一スロット１０１を形成している。

スロット付きＰＢＧファイバを形成するための線引き装置
図８は、上述したＰＢＧプリフォーム１０から、中空コア・スロット付きＰＢＧファイバ２０２（以下、「ファイバ２０２」と呼ぶ）を形成するのに適した一般化された光ファイバ線引き装置２００の概略図である。ファイバ２０２は、次いで後述のような光導波路環境センサの形成に用いられる。

装置２００は、上述のように前端３０および後端３２を有するＰＢＧプリフォーム１０を動作可能に係止したフィード機構２１０を備えている。装置２００は出力端２３２と、フィード機構が作動されたときにプリフォームの前端３０を受容するように構成された受容端２３４とを有する炉２３０を備えている。炉２３０の下流には測定ユニット２４０（例えば、レーザー・マイクロメータ）がある。測定ユニット２４０の下流にはピンチホイール２７０が配置され、このピンチホイール２７０はファイバが線引きされるときにファイバにテンションを発生させるように構成されている。ピンチホイール２７０はまた、巻取りスプール２８０にファイバ２０２を供給するように構成されている。装置２００は、供給機構２１０、炉２３０、測定ユニット２４０、ピンチホイール２７０およびに巻取りスプール２８０に信号を与えるように接続されたコントローラ２９０をさらに備えている。

動作に際しては、フィード機構２１０がＰＢＧプリフォーム１０の後端３２を係止する態様でプリフォーム１０が装置２００内に配置される。コントローラ２９０からのコントロール信号Ｓ_２１０に応答して、フィード機構２１０がプリフォームの前端３０を炉２３０の受容端２３４内に導入する。コントローラ２９０は、炉をコントロールする信号Ｓ_２３０を通じて炉２３０の線引き温度をコントロールする。炉２３０はプリフォームの前端３０を軟化させ、次いでこの前端３０は、新たにファイバ２０２が形成されるときの所定の線引き速度において炉の出力端２３２から線引きされる。新たに線引きされたファイバ２０２は、ピンチホイール２７０の周囲を巡って巻取りスプール２８０によって巻き取られかつ貯蔵される。

見本プリフォームおよびスロット付きＰＢＧファイバ
図９Ａは、上述のＰＢＧプリフォーム１０を用いて形成された見本ファイバ２０２の断面の写真であり、クラッド管２０を通じＰＢＧ棒体６０の途中まで切り込んだがＰＢＧ領域７６には切り込まないことによって、ＰＢＧプリフォームのスロット４０および１００が単一作業で形成された。３ｍｍ幅のダイアモンド研削ホイールを用いた研削作業によって、長さＬ_１が約４インチ（１０ｃｍ）、クラッド管２０の前端３０からの距離Ｄ_１が１インチ（２．５ｃｍ）のスロット４０が研削された。棒体の前端７０から長さＬ_２が約４インチ（１０ｃｍ）、スロットの底１１０からＰＢＧ領域７６の一つの平坦な側面７７までの距離Ｄ_２（例えば図２参照）が約０．０６２インチ（１．６ｍｍ）の深さのスロット１００もＰＢＧ棒体６０に研削された。

得られたファイバ２０２は、中空コア３８０を有するＰＢＧ領域３７６を取り囲む外側クラッド領域３７３を有する。外側クラッド領域３７３は、融合されたプリフォーム１０のクラッド管２０および棒体の外側領域７２（または「予め融合された」クラッド領域７３）に対応する。プリフォームのスロット４０および１００もまた合体されて、ＰＢＧ領域３７６内に延びる単一の細長い側方開口部すなわちスロット３０１を形成している。ＰＢＧ領域７６が多数の気孔８４を備えている場合、ＰＢＧ領域３７６は対応する多数の気孔３８４を備えている。図９Ｂは、スロット３０１が中空コア３８０と連結した完成されたファイバ２０２の典型的な実施の形態を示す概略的断面図である。

本発明は、一段工程または二段工程の何れかを用いてファイバ２０２を形成することに関する。上記一段工程においては、スロット３０１が中空コア３８０と連結するように線引き工程中に形成される。これは、機械的に生成される屑が発生することのない火仕上げスロットを生成させる。上記二段工程においては、線引き工程中においてはスロット３０１が最初は中空コア３８０に到達せず、第２工程（例えば研削処理またはレーザー処理等の機械加工工程）が用いられてスロットを中空コアに連結（例えば延長）する。第２工程は機械的な屑を発生させる可能性があるが、その量は、クラッド管の外表面２６からスロット３０１の加工を開始することによって発生する屑の量よりも少ない。

図９Ａのファイバ２０２のスロット３０１は、「１９個の孔の欠落」を生じている。すなわち、１９個の気孔がＰＢＧ領域３７６から失われている。図９Ａにおけるファイバ２０２のスロット３０１は、次に延長されて（例えば精密機械加工またはレーザー処理により）、破線３０３で示されているように、中空コア３８０と連結される。一つの典型的な実施の形態において、レーザー処理は、フェムト秒パルスレーザーを用いてスロット３０１と中空コア３８０との間の材料を除去することを含む。一つの典型的な実施の形態において、除去されるべき材料の厚さは約２０μｍから３５μｍまでの間である。除去されるべき材料はＰＢＧ領域３７６の一部を含み、かつスロット３０１の深さに応じて、外側クラッド領域３７３をも含むこともある。一つの典型的な実施の形態において、ファイバ２０２は、バキュームでアシストされたＶ溝治具内に保持され、かつこの治具が、除去速度をコントロールする態様でフェムト秒パルスレーザーに対して移動せしめられる。

スロット３０１を形成し、次いでこのスロットを延ばして中空コア３８０に到達させると、外側クラッド領域３７３を通じて直接的にスロットを形成することによって生成されるスロットを備えたファイバよりも約２倍またはそれ以上に強い（すなわち、より大きな引っ張り強度を有する）ファイバ２０２が得られることに注目すべきである。プリフォーム１０を線引きすることによってスロット３０１を形成する場合に行なわれるファイバ構造の再流動は、ファイバ強度を損なう可能性のあるひび割れの形成の軽減に役立つ。特に、このことは平滑な溝の表面を生成させ、点欠陥を低減し、これにより、より強いファイバ２０２の形成に寄与する。

図１０は、上述のプリフォーム１０と類似しているが、図１１に描かれたスロット付きプリフォームに示されているように、スロット付きプリフォーム２０がスロット付きでない薄いクラッド管２１によって取り囲まれたＰＢＧプリフォームを用いて形成された典型的なファイバ２０２の断面写真である。この場合には、得られたファイバ２０２に形成されているスロット３０１が薄いガラス層３２１によって覆われており、これにより「覆われたスロット」すなわち「チャンネル」を形成していた。このような覆われたスロット３０１は、測定されるべき目標物質を捕捉することから恩恵を受けるセンサの用途に対して有用である。

一つの典型的な実施の形態において、覆われたスロット３０１は、線引き工程中に加圧システムまたは減圧システムに接続されて、スロットのサイズ、ガラス層３２１の薄さをコントロールして、薄い壁の領域内でファイバが膨らむように十分な圧力を印加することによって、ファイバ２０２内部の何処にスロットがあるかを示すマーカーを形成する。

別の典型的な実施の形態においては、薄いガラス層３２１に１個または複数個の孔３２３が形成され、覆われたスロット３０１内に目標物質（下記に説明されている）が入るように、スロット３０１が（孔３０３を通じて）中空コア３８０まで延びている。

図１２は、一つの典型的なＰＢＧプリフォーム１０の断面写真であり、このプリフォームは、スロット４０および１００を単一のスロット１０１として形成する単一機械加工（例えば研削）を行なう以前にクラッド管２０とＰＢＧ棒体６０とを一体構造に融合させるために処理された（例えば線引きされまたは「予線引き」された）。得られたスロット１０１は、機械加工の性質により底１１０にテーパーがついているが、公称０．０６５インチ（１．６５ｍｍ）の幅Ｗ_１を有する。この実施の形態においては、前述の図３に示されているように、スロット１０１の底１１０がＰＢＧ領域７６内に落ち込んでいることに注目すべきである。また、上述の図７について説明されているように、クラッド管２０とＰＢＧ棒体６０との境界が、ファイバ２０２を線引きする以前にプリフォームから除去されていることにも注目すべきである。

比較的狭いスロット１０１が、線引き工程中にＰＢＧ領域に達するのを許容される熱量を低減することによって、線引き工程中のＰＢＧ領域７６の変形を軽減する。スロットを形成するためのこの対策は、クラッド管のスロット４０とＰＢＧ棒体のスロット１００とを整列させる必要性を実質的に排除し、かつクラッド管２０とＰＢＧ棒体６０との間に界面が存在する場合に生じるスロットの変形を実質的に排除する。

ファイバ２０２を形成するためにＰＢＧプリフォーム１０を用いることの利点は、得られるファイバが、線引き工程後に機械加工により形成されたスロットを有するＰＢＧファイバよりも強靭である可能性が高いことである。これは、線引き工程中にスロット３０１が「火仕上げ」されるからであり、これに反して、線引き後のファイバに対する機械加工は、微構造的格子を崩壊させかつ粗くされたスロットを残す。これに加えて、たとえスロット３０１を中空コア３８０に連結する機械加工が必要な場合であっても、スロットの外側エッジは平滑のまま残る。

環境センサ
上述のように、スロット３０１は、周囲環境からの目標物質（気体、液体、微粒子等）が、中空コア３８０内を伝播する少なくとも一つのコアモードと相互作用するのを可能にするために、ファイバ２０２をセンサとして用いるのに適している。一つの典型的な実施の形態において、中空コア３８０とスロット３０１は、案内された光の一部がスロット内を伝播しかつ残りの部分が中空コア内を伝播するリッジ導波路を形成し、これにより、光が中空コア内の目標物質とのみでなく（中空コア内に入った目標物質の範囲で）、スロット内の目標物質と相互作用するのを可能にしている。スロット３０１は、環境大気中の目標物質がファイバ２０２によって案内された光と相互作用を行なうのに必要な時間を短縮し、これにより、環境を検知するのに必要な応答時間を短縮する。

図１３は、本発明のファイバ２０２を用いた光導波路環境センサ４００の典型的な実施の形態の概略図である。このセンサ４００は、前端２０３および後端２０４を有するファイバ２０２の部分を備えている。センサ４００はまた、光４１２を放射し、かつファイバ２０２の前端２０３において中空コア３８０と光学的に結合された光源４１０を備えている。光源４１０は、例えば、準単色光レーザー光源、多レーザー光源（順伝播または逆伝播）、広帯域光源（タングステン・ハロゲンランプ、グローバー、スペクトルランプ等）、発光ダイオード、または検知目的に用いられる他の何れかの光源を含む。

センサ４００は、ファイバ２０２の後端２０４においてコア３８０に光学的に結合された光センサ４２０を備えている。光センサ４２０は、例えばフォトトランジスタ等の光検出器である。

センサ４００の動作時には、ファイバ２０２の少なくとも一部（そして好ましくは全部）が少なくとも一種類の目標物質４５０を含んでいる環境４４４中に配置される。コントローラ／デジタルプロセッサ４３０が光源４１０に対し、光源をして光４１２を放射させるコントロール信号ＳＣを提供する。放射された光４１２は、中空コア３８０およびスロット３０１内に入りかつこれら内を伝播する。一方、周囲の目標物質４５０は、矢印４６０によって示されているように、スロット３０１内に流入するのを許容される。光４１２（例えばレーザー光）の周波数は、目標物質４５０によって影響を受ける（例えば拡散または吸収される）ように選択されているので、その振幅は、スロット３０１に目標物質４５０が存在しない場合に比較して低減される。例えば、もしセンサ４００が火災検知器として用いられている場合には、目標物質４５０によって影響を受ける光４１２の周波数は、二酸化炭素または火災の形式によって予想される副産物によって吸収されるべき周波数が選択される。

目標物質４５０は、スロット３０１および中空コア３８０を伝播する光４１２の少なくとも一部に影響を与えるので、ファイバの出力端２０４においては、スロット内に目標物資値が存在しない場合に比較して光の振幅が減衰されている。

光センサ４２０は、後端２０４においてファイバ２０２を出る光４１２を受光し、検出された光量を表わす電気信号ＳＳを発生させる。コントローラ／デジタルプロセッサ４３０は電気信号ＳＳを受信し、この電気信号の振幅を継続的に監視する。コントローラ／デジタルプロセッサ４３０は、或る量の目標物質４５０がスロット３０１および中空コア３８０内に存在するために、電気信号ＳＳの振幅が、選択された閾値よりも低下した場合に、コントローラ／デジタルプロセッサ（または別の回路、不図示）が警報を発するようにプログラムされている。

スロット３０１は、目標物質に直接的に触れるので、センサ４００の応答時間はほぼ即刻である。これに加えて、中空コア３８０およびスロット３０１によって形成されている光学的リッジ導波路に付随する損失が比較的低いために、ファイバ２０２部分の長さは１０メートル台またはそれ以上である。その結果、センサ４００が高い感度を備えることとなり、特定の領域内に存在する周囲の目標物質を広範にサンプルすることが可能であり、これは偽陽性の機会を低減し、これにより、センサ全体の信頼性を高める。

本発明の精神および範囲から離れることなしに、種々の変形および変更が可能なことは、当業者には明らかであろう。したがって本発明は、添付の請求項およびそれらの均等物の範囲内で行なわれた本発明の変形および変更をカバーすることを意図するものである。

１０ ＰＢＧプリフォーム
２０ クラッド管
２２ 中心軸線
２４ 内表面
２５ 内部
２６ 内表面
３０ 前端
３２ 後端
４０ スロット
４２ 前端
４４ 後端
６０ 棒体（ＲＧＢ棒体）
６２ 中心軸線
６６ 外表面
６８ 前端
７０ 後端
７２ 外側領域
７６ ＲＧＢ領域
８０ 中空コア
８４ 気孔
１００ スロット
１０２ 前端
１０４ 後端
１１０ 底
２００ 光ファイバ線引き装置
２１０ フィード機構
２３０ 炉
２３２ 出力端
２３４ 受容端
２４０ 測定ユニット
２７０ ピンチホイール
２８０ 巻取りホイール
２９０ コントローラ
４００ 光導波路環境センサ
４１０ 光源
４１２ 光
４２０ 光センサ
４３０ コントローラ／デジタルプロセッサ
４４４ 環境

Claims (5)

1. スロットを備えたフォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）光ファイバを形成するためのプリフォームであって、
   第１の中心軸線、前端、後端、開口内部を画成する内表面、および外表面を有する１本の円筒状クラッド管を備え、該クラッド管は、前記外表面に、前記内表面まで貫通して形成されかつ前端および後端を有する第１の細長いスロットを有し、
   第２の中心軸線、該第２の中心軸線に沿って配置されかつ該第２の中心軸線上にほぼ心合せされた中空コアを有するＰＢＧ領域、および該ＰＢＧ領域を取り囲みかつ外表面を有する密実な外側領域を有する１本の棒体を備え、該棒体は前記密実な外側領域の外表面内に形成された第２の細長いスロットを有し、
   前記棒体は、前記第１および第２の中心軸線がほぼ一致し、かつ前記第１および第２の細長いスロットがほぼ整列した状態で、前記クラッド管の内部内に配置されていることを特徴とするプリフォーム。
2. 前記第２の細長いスロットが前記棒体の前端まで延びていることを特徴とする請求項１記載のプリフォーム。
3. 前記第１の細長いスロットが前記クラッド管の前端までは延びていないことを特徴とする請求項１記載のプリフォーム。
4. 前記第１の細長いスロットが幅Ｗ_１を有し、前記第２のスロットが幅Ｗ_２を有し、かつＷ_２≧Ｗ_１であることを特徴とする請求項１記載のプリフォーム。
5. 前記第２の細長いスロットが前記ＰＢＧ領域内へ延びていることを特徴とする請求項１記載のプリフォーム。

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