JP2011528904A - 生物学的用途のためのナノ構造光ファイバ照明系および方法 - Google Patents

Abstract

少なくとも１つのナノ構造光ファイバを使用する、生物学的用途のための照明系。ファイバは、実質的に均一な放射線を放出する拡張光源を形成するために、ファイバ外表面から導光が散乱する光源ファイバ部分を形成するように支持構造物の周りに巻き付いていることが好ましい。光源ファイバ部分には、ナノ構造ファイバの散乱の量を増強するために、曲げが形成される。少なくとも１つのファイバを逆巻きすることにより、光源ファイバ部分の長さに沿って放出される放射線を低下させる作用を打ち消し、それによって、放射線の均一性を増大させる役割をする。各ファイバを光源に連結させた、支持構造物の周りに順巻きした複数のファイバは、長尺の拡張光源を形成することができる。光源ファイバ部分は、さまざまな生物学的チャンバの表面形状に適合するように構成することができる。

Description

関連出願の相互参照

本願は、参照することによりその内容全体が信頼され、本明細書に取り込まれる、２００８年７月２５日出願の米国仮特許出願第６１／１３７，００９号の利益および優先権を主張する。

本発明は、一般に、ナノ構造光ファイバに関し、特に、ナノ構造ファイバを生物学的用途に利用する照明系および方法に関する。

光ファイバは、光源から遠隔地へと光を伝達することが必要なさまざまな用途に用いられる。例えば、光学電気通信系は、例えば、いわゆる「ファイバ・トゥ・ザ・Ｘ」または「ＦＴＴＸ」システムで、光ファイバのネットワークを頼りに本社からシステムの末端利用者へと光を伝達する。ここで、「Ｘ」はファイバの最終地点を表す（例えば、「ホーム」の「Ｈ」、「縁石（curb）」の「Ｃ」など）。

電気通信光ファイバは、吸収および散乱に起因して、比較的低レベルの減衰のみが存在する、８００ｎｍ〜１６７５ｎｍの範囲の近赤外線の波長で動作するように設計される。これにより、ほとんどの光が、ファイバの一端に入力されてファイバの反対端から出力できるようになるとともに、わずかな量のみがファイバの側面を通じて周辺に出射されるようになる。

最近になって、従来のファイバよりも曲げに対する感受性が低い光ファイバの必要性が高まってきている。これは、光ファイバが強い曲げを有することを要件とする構成で配置される電気通信システムがますます増えているためである。この必要性により、コア領域を取り囲む、非周期的に配置された、環状の小さい間隙を利用した、いわゆる「ナノ構造」の光ファイバが開発された。送気環体は、曲げに対する非感受性を増大させる役割をする。すなわち、ファイバは、そこを通過する光信号の減衰における著しい変化を被ることなく、より小さい曲げ半径を有することができる。

光ファイバは、典型的には、一方の端からもう一方の端へ長距離にわたって光を効率的に伝達するように設計されていることから、光は、典型的なファイバの側面からほんの少ししか漏出しないため、光ファイバは、典型的には、拡張照明光源の形成に使用するのに適しているとは考えられない。さらには、光バイオリアクターなどの遠隔増殖領域に選択量の光が効果的に提供される必要がある、細菌増殖ならびに光バイオエネルギーおよびバイオマス燃料の生成を含めた生物学的用途など、多くの用途が存在する。特に、光エネルギーを内燃エンジンに使用できるように、光エネルギーを、高密度かつきれいに燃焼することが可能な高価値のバイオマス系燃料へと転換する方法は、緊急に開発する必要がある。バイオ燃料の大規模生産は、さらに効率的な反応器および光伝達方法をますます必要とするであろう。これらの必要性は、光を生物学的材料に伝達するための効率的な光源が存在する場合にのみ、満たすことができる。

よって、拡張光源を形成するようにファイバを適合させることができれば、光ファイバの光を遠隔地に効率的に伝達する能力を利用した照明系および方法を獲得することは有益であろう。

本発明の第１の態様は、生物学的材料を収容するように構成された内部を有する生物学的チャンバを備えた、生物学的成長システムのための照明系である。本システムは、生物学的材料にとって感受性の波長を有する光を発生する光源を備えている。本システムはまた、中心軸、外表面、および光源と光学的に結合した末端を有する、少なくとも１つのナノ構造光ファイバも備えている。ある長さを有し、その長さにわたって実質的に均一な放射線を放射する光源ファイバ部分を形成するため、導光を前記中心軸から前記外表面を通じて外に散乱するように、ファイバは、内部に複数の曲げが形成されるように構成される。

本発明の第２の態様は、生物学的成長システムである。本システムは、生物学的材料を収容するように構成された内部を有する、生物学的チャンバを備えている。本システムはまた、生物学的材料にとって感受性の波長を有する光を発生する光源も備えている。本システムは、さらに、中心軸、外表面、および、前記光源と光学的に結合した末端を有する、少なくとも１つのナノ構造光ファイバを備えている。ある長さを有し、その長さにわたって実質的に均一な放射線を放射する光源ファイバ部分を形成するため、導光を前記中心軸から前記外表面を通じて外に散乱するように、ファイバは、内部に複数の曲げが形成されるように構成される。

本発明の第３の態様は、生物学的材料を支持するように構成された内部を有する生物学的チャンバに、実質的に均一な照明を提供する方法である。本方法は、中心軸および外表面を有する少なくとも１つのナノ構造光ファイバにおいて、少なくとも１つのファイバのレイリー散乱を実質的に増大させるように構成された複数の曲げを形成する工程を含み、ここで、前記複数の曲げは、前記少なくとも１つのファイバの光源ファイバ部分を形成する。本方法はまた、生物学的チャンバ内部に光源ファイバ部分を配置する工程、および、少なくとも１つのファイバ内に光を入射し、光の一部を中心軸から外表面を通じて外にレイリー散乱させ、それによって前記光源ファイバ部分から実質的に均一な放射線を放出させる工程も含む。実質的に均一な放射線は、生物学的材料にとって感受性の波長を含む。

本発明の追加の特徴および利点は、以下の詳細な説明において記載され、一部には、その説明から当業者にとって容易に明らかとなるか、または以下の詳細な説明、特許請求の範囲、および添付の図面を含めた本明細書に記載の発明を実施することによって認識されるであろう。

前述の概要および以下の詳細な説明は、本発明の実施の形態を提案し、特許請求の範囲に記載される本発明の性質および特徴を理解するための外観または枠組みを提供することが意図されていることが理解されるべきである。添付の図面は、本発明のさらなる理解を提供するために含まれ、本明細書に取り込まれ、その一部を構成する。図面は、本発明のさまざまな実施の形態を例証し、その説明と共に、本発明の原理および操作を説明する役割をする。

ナノ構造光ファイバの形状をした、曲げに非感受性の光ファイバの一例となる実施の形態の一部の概略的な側面図。 ２−２の方向に沿って観察した、図１の光ファイバの概略的な断面図。 コアとナノ構造領域の間に内部環状クラッド領域を含む、図２に示す、典型的な多重モードのナノ構造ファイバのファイバ半径に対する相対屈折率のプロット。 ナノ構造の領域がコアを直接取り囲む、典型的な多重モードのナノ構造ファイバについての図３Ａと同様のプロット。 照明系を生物学的チャンバと組み合わせて含む、生物学的成長システムの典型的な実施の形態の概略図。 入力ファイバ部分（１２Ａ）が、ナノ構造光ファイバ光結合装置の別のセクションに連結している、図４の照明系に用いた多重モードのナノ構造ファイバの拡大図。 入力ファイバ部分が、異なるタイプの光ファイバ（例えば、非ナノ構造光ファイバ）で形成され、光源のファイバ部分を構成する多重モードのナノ構造ファイバに光学的に結合された、典型的な実施の形態を例証する、図５と同様の拡大図。 ８００ｎｍ以上の近赤外線波長と比較して、可視波長範囲における非常に大きい損失を例証する、典型的な電気通信光ファイバの波長（ｎｍ）に対する損失（ｄＢ／ｋｍ）のプロット。 曲げによって生じた曲げ半径Ｒ_Bおよび放射光を例証する、ファイバの光源ファイバ部分に形成される、多重モードのナノ構造ファイバにおける曲げの拡大図。 ファイバに沿った距離の関数としての放射光の量（強度）の減少の仕方、および、ファイバの逆巻きが距離Ｌにわたり実質的に均一の放射光を発生させる方法を例証する、ファイバ１２の長さＬに沿った距離Ｄ（メートル）の関数としての強度Ｉ（正規化単位）のプロット。 実質的に均一の放射光を発生するように、多重モードのナノ構造ファイバに４つの逆巻き層を含む、ファイバ照明系の光源ファイバ部分の例となる実施の形態についての距離Ｄ（メートル）に対する相対強度のプロット。 ２つの逆巻きしたファイバを含む、ファイバの光源ファイバ部分の例となる実施の形態を例証する、図４の照明系の一部の拡大図。 同一のファイバを逆巻きした、ファイバの光源ファイバ部分の例となる実施の形態を例証する、図１１Ａと同様の図。 比較的きつく、反対方向に傾斜した、複数の逆巻きの巻線を有するファイバの光源ファイバ部分の例となる実施の形態を例証する、図１１Ｂと同様の図。 さらに多くの逆巻きの巻線を有するファイバの光源ファイバ部分の例となる実施の形態を例証する、図１１Ｃと同様の図。 複数のファイバが、拡張光源を形成するように一連の環状部に配置された、図４の照明系の一部の例となる実施の形態。 光源および光結合系が複数のファイバのそれぞれの入力端に光を結合するように構成された、照明系の前方部の例となる実施の形態。 フラスコの形態の生物学的チャンバと組み合わせて使用する照明系の例となる実施の形態。 照明系の光源ファイバ部分が、長方形の断面をした生物学的チャンバ用に構成された、例となる実施の形態（上から見た図）。 照明系の光源ファイバ部分が、円形の断面をした生物学的チャンバ用に構成された、例となる実施の形態（上から見た図）。 図４および図１４の本発明の照明系を用いて照射した試験群と、同等の光合成光量子束（ＰＰＦ）の蛍光性のランプを用いて照射した対照群とを含む、シアノバクテリアの植菌増殖日数に対するバイオマス（細胞密度で表す）のプロット。 図４および図１４の本発明の照明系を用いて照射した試験群と、同一の光パワーを用いてファイバの先端を通じて照射した対照群とを含む、シアノバクテリアの植菌増殖日数に対するバイオマス（細胞密度で表す）のプロット。 典型的なファイバ直径についての直径の曲げに対するファイバ損失のプロット。

本発明の追加の特徴および利点は、以下の詳細な説明に記載され、その説明から当業者には明らかになるか、または、特許請求の範囲および添付の図面とともに以下の説明に記載される本発明を実施することによって認識されよう。

添付の図面に実施例が例証されている、本発明の好ましい実施の形態について、これより詳細に説明する。可能な場合はいつでも、同様の部分に言及するために、図面全体を通じて、同様の参照番号が用いられる。本明細書に開示される実施の形態は、単に、それぞれ本発明の特定の利益を取り込んだ例に過ぎないことが理解されるべきである。

本発明の範囲内にある次の例には、さまざまな変更および調整をなすことができ、異なる例の態様は、さらなる例を達成するために異なる方法で混合されうる。したがって、本発明の真の範囲は、本開示全体から理解されるべきであり、本明細書に記載の実施の形態が考慮されるが、これらに限定されない。

定義
「水平」、「垂直」、「前方」、「後方」などの用語およびデカルト座標の使用は、図面における参照の目的および説明の簡略化のためであって、絶対標定および／または絶対方向に関して、説明または特許請求の範囲の記載に厳密に限定されることは意図されていない。

以下の本発明の説明において、次の用語および表現は、ナノ構造光ファイバに関連して用いられる。

「屈折率プロファイル」は、屈折率または相対屈折率と、導波路（ファイバ）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_REF ²）］／２ｎ（ｒ）²
として定義され、他に特に規定されない限り、ｎ（ｒ）は半径ｒにおける屈折率である。相対屈折率パーセントは、他に特に規定されない限り、８５０ｎｍで測定される。１つの態様では、指標となる屈折率ｎ_REFは、コア／クラッド接触面における屈折率である。別の態様では、ｎ_REFは、クラッディングの外側の環状部分の平均屈折率であり、これは、例えば、クラッディングの外側の環状部分における「Ｎ」屈折率の測定値（ｎ_C1、ｎ_C2、…ｎ_CN）を取り、式：

によって平均屈折率を計算することによって、計算することができる。

本明細書では、相対屈折率はΔで表され、他に特に規定されない限り、その値は「％」単位で与えられる。ある領域の屈折率が指標となる屈折率ｎ_REF未満の場合には、相対屈折率パーセントは負の値であり、低下した領域または低下した屈折率を有すると表され、最小相対屈折率は、他に特に規定されない限り、相対屈折率が最も負である点で計算される。ある領域の屈折率が指標となる屈折率ｎ_REFより大きい場合には、相対屈折率パーセントは正の値であり、領域は上昇する、または正の屈折率を有するといえる。

「アップ・ドーパント」とは、ここでは、純粋なドープされていないＳｉＯ₂に対し屈折率を上昇させる傾向を有するドーパントであると考えられる。「ダウン・ドーパント」は、ここでは、純粋なドープされていないＳｉＯ_２に対し屈折率を低下させる傾向を有するドーパントであると考えられる。アップ・ドーパントではない１つ以上の他のドーパントを添加する場合、アップ・ドーパントは、負の相対屈折率を有する光ファイバの領域に存在しうる。同様に、アップ・ドーパントではない１つ以上の他のドーパントが正の相対屈折率を有する光ファイバの領域に存在していてもよい。ダウン・ドーパントではない１つ以上の他のドーパントを添加する場合、ダウン・ドーパントは、正の相対屈折率を有する光ファイバの領域に存在しうる。同様に、ダウン・ドーパントではない１つ以上の他のドーパントが負の相対屈折率を有する光ファイバの領域に存在していてもよい。

「α−プロファイル」または「アルファプロファイル」という用語は、「％」を単位とするΔ（ｒ）に関して表された、相対屈折率プロファイルのことをいい、ここで、ｒは半径であり、これは次の式：
Δ（ｒ）＝Δ（ｒ_o）（１−［｜ｒ−ｒ_o｜／（ｒ₁−ｒ_o）］^α）
に従い、ここで、ｒ_oはΔ（ｒ）が最大になる点であり、ｒ₁はΔ（ｒ）％がゼロの点であり、ｒはｒ_i＜ｒ＜ｒ_fの範囲にあり、ここで、Δは上に定義したとおりであり、ｒ_iはα−プロファイルの初期点であり、ｒ_fはα−プロファイルの終点であり、αは実数の指数である。

したがって、本明細書では「放物線」という用語は、コアの１つ以上の点において、２．０のα値からわずかに変化しうる、実質的に放物線状の形状をした屈折率プロファイル、ならびに、わずかな変化および／または中心線のへこみを有するプロファイルを含む。

ここで考慮されるナノ構造ファイバのマクロベンド性能は、ＴＩＡ／ＥＩＡ−４５５-６２−Ａ ＦＯＴＰ−６２（ＩＥＣ−６０７９３−１−４７）に従って、直径１０ｍｍまたは２０ｍｍのマンドレル（「１×１０ｍｍ直径のマクロベンド損失」または「１×２０ｍｍ直径のマクロベンド損失」）の周りに１回巻き、全モード励振状態（overfilled launch condition）を使用した、曲げに起因した減衰の増大を測定することによって、決定した。バンド幅は、ＴＩＡ／ＥＩＡ−４５５−２０４ ＦＯＴＰ−２０４に従い、全モード励振で測定した。

曲げに対し非感受性の光ファイバ
本明細書に記載する本発明の実施の形態の望ましい特性は、ファイバ固定具の長さに沿って均一な照明である。光ファイバは柔軟であることから、さまざまな形状を展開することが可能になる。しかしながら、ファイバの曲げ点に輝点を有しないことが好ましい (曲げ損失の増大の理由から) 。波長が７００から４００ｎｍに減少するにつれて、シリカ系の導波管におけるレイリー散乱に起因した内部減衰は、約２〜３×１０^-4ｄＢ／ｃｍから増大する。幾つかの実施の形態では、動作波長における１×４０ｍｍ（直径４０ｍｍのループの周りを１回転）の曲げ損失は、動作波長におけるファイバの内部減衰未満である。 他の好ましい実施の形態では、動作波長における１×４５ｍｍ（直径４５ｍｍのループの周りを１回転）の曲げ損失は、動作波長におけるファイバからの固有の散乱損失未満である。他の好ましい実施の形態では、動作波長における１×５０ｍｍ（直径５０ｍｍのループの周りを１回転）の曲げ損失は、動作波長におけるファイバからの固有の散乱損失未満である。動作波長は７００ｎｍ未満が好ましく、６００ｎｍ未満がさらに好ましく、例えば、４００ｎｍ〜７００ｎｍである。つまり、曲げ損失は、直線ファイバのコアからの固有の散乱損失以下であることが好ましい。固有の散乱は、ファイバの不完全性（例えば、コア／クラッド接触面）におけるレイリー散乱および／または散乱損失に起因する。よって、少なくとも曲げに非感受性の光ファイバの実施の形態によれば、曲げ損失は、ファイバの固有の散乱を上回らない。本発明の例となる実施の形態は、いわゆる「ナノ構造の」または「穴のある」光ファイバの形状のものなど、曲げに非感受性または曲げに抵抗性のファイバを利用する。本発明の他の実施の形態は、曲げに非感受性または曲げに抵抗性のファイバを利用し、クラッディングのすべてまたは一部が、フッ素をドープしたシリカで構成される。

図１は、中心軸（「中心線」）１６を有する多重モードのナノ構造光ファイバ（以後「ファイバ」）１２の形状をした、曲げに非感受性のファイバの一例となる実施の形態のセクションの概略的な側面図である。図２は、図１における２−２の方向に沿って観察した、ナノ構造ファイバ１２の概略的な断面図である。ファイバ１２は、例えば、いわゆる「穴のある」ファイバ、または上記コーニング社のナノ構造ファイバ特許および特許出願に記載されるものなど、さまざまな種類のナノ構造光ファイバのいずれか１つでありうる。本発明の目的では、「曲げに非感受性のファイバ」は、周期的または非周期的なナノ構造または間隙を利用するナノ構造ファイバを含む。一例となる実施の形態では、ファイバ１２は、コア領域（「コア」）２０、内部環状クラッド領域２６、前記内部環状クラッド領域を取り囲む環状のナノ構造領域３０、および前記環状のナノ構造領域を取り囲む外側の環状のクラッド領域４０（「クラッディング」）を備えている。内側のクラッド領域２６、ナノ構造領域３０および外側のクラッド領域４０は、外表面５２を有する「クラッディング構造」５０を構成する。

随意的な層４４は、外側のクラッド領域４０を取り囲む。一例となる実施の形態では、層４４は、低弾性の第１のコーティングと高弾性の第２のコーティングを含む、コーティングである。一部の実施の形態では、層４４は、アクリレート系のポリマーなどのポリマーコーティングを含む。一部の実施の形態では、コーティングは、ファイバの長さに沿って一定の直径を有する。

以下に記載する他の例となる実施の形態では、層４４は、コア２０からクラッド構造５０を通過する「放射光」の分布および／または性質を増強するように設計される。外側のクラッド領域４０（または随意的な層４４）は、下記のように、ファイバを通る光が散乱を通じて放出される、ファイバ１２の「側面」４８を表す。

保護カバーまたは覆い（図示せず）は、随意的に、外側のクラッディング４０を覆う。一例となる実施の形態では、ナノ構造領域３０は、図２の拡大挿入図に詳細に示される、例となる間隙などの非周期的に配置された穴（「間隙」または「ナノ構造」ともいう）３２が内部に形成された、ガラス基質（「ガラス」）３１を含む。別の例となる実施の形態では、間隙３２は、フォトニック結晶光ファイバなどに周期的に配置されて差し支えなく、ここで、間隙は、典型的には約１×１０^-6ｍ〜１×１０^-5ｍの直径を有する。間隙３２は、非周期的または無作為に配置されてもよい。一例となる実施の形態では、ガラス３１は、フッ素をドープされるが、別の例となる実施の形態では、ガラスはドープされていない純粋なシリカである。「非周期的配置」または「非周期的分布」とは、ファイバの断面（図２に示すものなど）を取る場合に、間隙３２が、ファイバの一部分に、無作為に、または非周期的に分散されることを意味する。ファイバの長さに沿った異なる箇所で取った同様の断面は、異なる断面の穴のパターンを示すであろう。すなわち、さまざまな断面は、穴の分布および穴の大きさが一致しない、異なる穴のパターンを有するであろう。つまり、穴は非周期的である、すなわち、穴はファイバ構造内に周期的には配置されない。これらの穴は、光ファイバの長さに沿って（すなわち縦軸と平行に）伸びる（引き伸ばされる）が、典型的な長さの伝送ファイバでは、ファイバ全体の全長までは伸びない。理論に縛られることは望まないが、穴は、ファイバの長さに沿って、数メートル未満、ほとんどの場合には１メートル未満しか伸びないと考えられる。

本明細書では、以下に論じる照明系におけるファイバ１２は、かなりの量の気体が圧密したガラスブランクに捕捉され、圧密したガラスの光ファイバプリフォームに穴の形成を生じさせるのに効果的なプリフォームの圧密条件を使用する方法によって、作ることができる。これらの穴を除去するための措置を講じるよりはむしろ、結果的に得られるプリフォームを使用して、内部に送気管またはナノ構造を伴った光ファイバを形成する。

本明細書では、穴の直径は、光ファイバをファイバの縦軸を横断する垂直な断面で見た場合に、終点が穴を画成するシリカの内部表面上に配置される最も長い線分である。穴を有する光ファイバなどの製造方法は、参照することによって本明細書に援用される、米国特許出願第１１／５８３，０９８号明細書に記載されている。

ファイバ１２の一部の実施の形態では、コア２０は、ゲルマニウムをドープしたシリカ、すなわち、酸化ゲルマニウムをドープしたシリカを含む。所望の屈折率および密度を得るために、光ファイバのコア、特に、中心線１６またはその近くに、ゲルマニウム以外のドーパントを個別にまたは組み合わせて用いてもよい。一部の実施の形態では、本明細書に開示される光ファイバの屈折率プロファイルは、コアの中心線から外半径に至るまで非負である。一部の実施の形態では、光ファイバは、コア内に、屈折率が低下するドーパントを含まない。

ファイバ１２は、フッ素化されたクラッド構造５０を含みうるが、これは、ファイバが短い光導体として用いられる場合には必要ではない。純粋なシリカのコア２０は、ファイバ１２の所望の特性の１つであるが、ファイバの好ましい特質は、生物学的材料が感受性である所望のスペクトル領域において、光をファイバの外に散乱する能力である。散乱を通じた損失の量は、ファイバにおけるガラスの特性を変化させることによって増大させることができる。

本明細書におけるファイバ１２の一部の例では、コア２０は、グレーデッド・インデックス・コアであり、コアの屈折率プロファイルは、放物線（または実質的に放物線）の形状を有することが好ましく；例えば、一部の実施の形態では、コア２０の屈折率プロファイルは、８５０ｎｍで測定して、約２、好ましくは１．８〜２．３のα値を有する、α型の形状を有し；一部の実施の形態では、コアの屈折率は中心線のへこみを有していてもよく、ここで、コアの最大屈折率および光ファイバ全体の最大屈折率は、中心線１６から短い距離だけ離れた位置にあるが、他の実施の形態では、コアの屈折率は中心線のへこみを有さず、コアの最大屈折率および光ファイバ全体の最大屈折率は、中心線に位置する。

クラッド構造５０の１つ以上の部分は、例えばレイダウン工程の間に、堆積したクラッディング材料を含んでもよく、あるいは、ロッドインチューブの光プリフォーム配置のチューブなどを被覆した形態、または堆積材料と被覆物の組合せの形態で提供される。

一例となる実施の形態では、ファイバ１２は、シリカ系のコアおよびクラッディングを有する。一部の実施の形態では、クラッディングは、Ｒmaxの２倍の外径、例えば、約１２５μｍの外径を有する。クラッディングの外径は、ファイバ１２の長さに沿って一定の直径を有することが好ましい。一部の実施の形態では、ファイバ１２の屈折率は放射対称を有する。コア２０の外径（２Ｒ１）は、ファイバの長さに沿って一定の直径を有することが好ましい。

図３Ａは、図２に示すように、一例となるファイバ１２のファイバ半径に対する相対屈折率Δのプロットである。コア２０は、中心線からコア外半径Ｒ１まで半径方向外側に延在し、最大相対屈折率パーセントΔ_1MAXを有する相対屈折率プロファイルΔ₁（ｒ）を有する。最初の態様では、指標となる屈折率ｎ_REFは、コア／クラッド接触面、すなわち半径Ｒ１における屈折率である。内部環状クラッド領域２６は、最大相対屈折率Δ２_MAXおよび最小相対屈折率Δ２_MINを有する屈折率プロファイルΔ２（ｒ）を有し、ここで、一部の実施の形態ではΔ２_MAX＝Δ２_MINである。ナノ構造領域３０は、最小相対屈折率Δ３_MINを有する屈折率プロファイルΔ３（ｒ）を有する。外側の環状のクラッド領域４０は、最大相対屈折率Δ４_MAXおよび最小相対屈折率Δ４_MINを有する屈折率プロファイルΔ４（ｒ）を有し、ここで、一部の実施の形態ではΔ４_MAX＝Δ４_MINである。また、Δ１_MAX＞Δ２_MAX≧Δ２_MIN＞Δ３_MINかつ、Δ１_MAX＞Δ４_MAX≧Δ４_MIN＞Δ３_MINである。

一部の実施の形態では、内部環状クラッド領域２６は、一定のΔ２（ｒ）を有する、図３Ａに示すように、実質的に一定の屈折率プロファイルを有する。これらの実施の形態の一部では、Δ２（ｒ）＝０％である。一部の実施の形態では、外側の環状のクラッド領域４０は、図３Ａに示すように、一定のΔ４（ｒ）を有する、実質的に一定の屈折率プロファイルを有する。これらの実施の形態の一部では、Δ４（ｒ）＝０％である。コア２０は、全体に正の屈折率プロファイルを有し、ここで、Δ１（ｒ）＞０％である。一部の実施の形態では、内部環状クラッド領域２６は、０．０５％未満の絶対等級およびΔ２_MAX＜０．０５％およびΔ２_MIN＞−０．０５％を有する、相対屈折率プロファイルΔ２（ｒ）を有し、ナノ構造領域３０は、クラッディングの相対屈折率が−０．０５％未満の値に最初に到達するところから始まり、中心線から半径方向外側の方向へ進む。

一部の実施の形態では、外側の環状のクラッド領域４０は、０．０５％未満の絶対等級およびΔ４_MAX＜０．０５％およびΔ４_MIN＞−０．０５％を有する相対屈折率プロファイルΔ４（ｒ）を有し、ナノ構造領域３０は、クラッディングの相対屈折率が−０．０５％より大きい値に最初に到達したところで終わり、Δ３_MINが見られる半径から半径方向外側の方向へ進む。一部の実施の形態では、内部環状部分３０は、純粋なシリカを含む。

一部の実施の形態では、外側の環状のクラッディング４０は、純粋なシリカを含む。一部の実施の形態では、ナノ構造領域３０は、複数の穴３２を含む純粋なシリカを含む。好ましくは、穴の存在を考慮するなど、ナノ構造領域３０の最小相対屈折率または平均有効相対屈折率は、−０．１％未満であることが好ましい。穴３２は、アルゴン、窒素、または酸素などの１つ以上の気体を含むことができ、あるいは、穴は、実質的に気体を含まず、真空を含むことができる；任意の気体の存在または不存在にかかわらず、ナノ構造領域３０の屈折率は、穴３２の存在に起因して低下する。穴３２は、ナノ構造領域３０に無作為にまたは非周期的に配置されて差し支えなく、他の実施の形態では、穴は、その中に周期的に配置される。

一部の実施の形態では、複数の穴３２は、複数の非周期的に配置された穴および複数の周期的に配置された穴を含む。代替として、または加えて、環状部分５０における屈折率の低下は、ナノ構造領域３０をダウンドープする（フッ素を用いるなど）か、またはクラッディングおよび／またはコアの１つ以上の部分をアップドープすることによっても提供することができ、ここで、ナノ構造領域３０は、例えば、純粋なシリカ、または内部環状部分３０のように重くドープされていない、シリカである。

１つの実施の形態では、ファイバ１２は、図２に示すように、勾配屈折率、好ましくは放物線（実質的に放物線）の勾配屈折率、ガラスコア２０、およびガラスクラッド構造５０を含み、ここで、コア２０は半径Ｒ１で終わり、これがグレーデッド・インデックス・コアまたは放物形の終わりを示す。コア２０は、実質的に一定の屈折率プロファイルΔ２（ｒ）を有する、内部環状クラッディング２６に取り囲まれて直接接触する。内部環状クラッディング２６はナノ構造領域３０に取り囲まれて直接接触し、この領域もまた、実質的に一定の屈折率プロファイルΔ４（ｒ）を有する外側の環状のクラッディング４０に取り囲まれて直接接触する。

例となる実施の形態では、コア２０は酸化ゲルマニウムをドープしたシリカを含み、内部環状領域２６は純粋なシリカを含み、外側の環状の領域４０は純粋なシリカを含む；これらの実施の形態の一部では、ナノ構造領域３０は純粋なシリカ内に複数の穴３２を含み；これらの実施の形態のさらに他の実施の形態では、ナノ構造領域３０はフッ素をドープしたシリカ内に複数の穴３２を含む。

内部環状クラッディング２６が純粋なシリカを含み、ナノ構造領域３０が複数の穴３２を有する純粋なシリカを含む実施の形態では、ナノ構造領域は、最も内側の穴の最も内側の半径から始まる。外側の環状のクラッディング４０が純粋なシリカを含み、ナノ構造領域３０が複数の穴３２を有する純粋なシリカを含む実施の形態では、ナノ構造領域は最も外側の穴の最も外側の半径で終了する。

一例となる実施の形態では、内部環状クラッディング２６は、０．５μｍを超え５μｍ未満の径方向幅Ｗ２を有する。一部の実施の形態では、ナノ構造領域３０の最小相対屈折率Δ３_MINは−０．２％未満であり；他の実施の形態では、Δ３_MINは−０．３％未満であり；さらに他の実施の形態では、Δ３_MINは−０．４％未満であり；さらに他の実施の形態では、Δ３_MINは−０．６％未満である。

Δ１_MAXは２．２％以下が好ましく、１．２％以下がさらに好ましい。

ファイバ１２の開口数（ＮＡ）は、光をファイバ内に導く光源（例えば、以下に紹介し論述する光源１５０など）のＮＡより大きいことが好ましい。

一部の実施の形態では、コア外半径Ｒ１は、２４μｍ以上かつ５０μｍ以下、すなわち、コア直径が約４８〜１００μｍであることが好ましい。他の実施の形態では、Ｒ１＞２４μｍであり；さらに他の実施の形態ではＲ１＞３０μｍｓであり；さらに他の実施の形態では、Ｒ１＞４０μｍである。

一部の実施の形態では、環状の内側部分２６の径方向幅の５０％より多くについて、|Δ₂（ｒ）|＜０．０２５％であり、他の実施の形態では、領域２６の径方向幅の５０％より多くについて、|Δ₂（ｒ）|＜０．０１％である。低屈折率環状部分３０は、クラッディングの相対屈折率が−０．０５％未満の値に達するところで開始し、中心線から半径方向外側へと進む。一部の実施の形態では、外側の環状部分４０は、０．０５％未満の絶対等級、およびΔ４_MAX＜０．０５％およびΔ４_MIN＞−０．０５％を有する相対屈折率プロファイルΔ４（ｒ）を有し、低屈折率環状部分３０は、クラッディングの相対屈折率が−０．０５％より大きい値に最初に達したところで終わり、Δ３_MINが見られる半径から半径方向外側へと進む。

ナノ構造の領域３０の幅Ｗ₃は、Ｒ３−Ｒ２であり、その中間点Ｒ_3MIDは、（Ｒ２±Ｒ３）／２である。一部の実施の形態では、Ｗ₃は１μｍより大きく２０μｍ未満である。他の実施の形態では、Ｗ₃は２μｍより大きく２０μｍ未満である。他の実施の形態では、Ｗ₃は２μｍより大きく１２μｍ未満である。

クラッド構造４０は、光ファイバのガラス部分の最外周部でもある、半径Ｒ４にまで及ぶ。一部の実施の形態ではＲ４＞５０μｍであり；他の実施の形態ではＲ４＞６０μｍであり、一部の実施の形態ではＲ４＞７０μｍである。

一部の実施の形態では、Δ_3MINは−０．２％未満（すなわち−０．２％よりも負の値）である。他の実施の形態では、Δ_3MINは−０．４％未満である。他の実施の形態では、Δ_3MINは−０．２％未満であり、かつ−３．０％より大きい。

図３Ｂは、図３Ａと同様のプロットであり、内側のクラッド領域２６は存在しないがコア２０に直接隣接してナノ構造領域３０が残るように、Ｒ２＝０である、一例となる実施の形態を示す。第２の態様では、ｎ_REFは、外側の環状のクラッディング４０の平均屈折率である。

図１８は、本発明の４つのファイバの実施の形態の曲げ直径の関数として、５３０ｎｍで測定したマクロベンド損失を示している。最小曲げ直径は、直径が動作波長におけるファイバの散乱損失に等しい、１回の曲げ損失の曲げ直径として定義される。一部の好ましい実施の形態では、動作波長における１×４０ｍｍの曲げ損失は、動作波長におけるファイバからの固有の散乱損失未満である。 他の好ましい実施の形態では、動作波長における１×４５ｍｍの曲げ損失は、動作波長におけるファイバからの固有の散乱損失未満である。他の好ましい実施の形態では、動作波長における１×５０ｍｍの曲げ損失は、動作波長におけるファイバからの固有の散乱損失未満である。動作波長は、７００ｎｍ未満であることが好ましく、６００ｎｍ未満がさらに好ましく、４００〜７００ｎｍがさらになお好ましい。よって、我々は、ファイバの固有の損失以下になるように、ファイバの最小曲げ直径を決定する。

照明系
図４は、照明系１００を生物学的チャンバ１１０と組み合わせて含む、生物学的成長システム９８の一例となる実施の形態の概略図である。照明系１００は、上述のように、少なくとも１つのファイバ１２を採用する。一例となる実施の形態では、少なくとも１つのファイバ１２（論述を簡略化するために、以下、単に「ファイバ１２」と称する）は、随意的な第１の部分１２Ａを含むように構成され、ここで、ファイバの光学的損失（「損失」）は実質的でない。ファイバ部分１２Ａは、光を運ぶ目的で用いられ、よって「入力ファイバ部分」と称される。ファイバ１２はまた、入力ファイバ部分と光学的に結合された第２の部分１２Ｂを有するように構成され、ここで、第２の部分の損失は、導光が「側面」４８の外（すなわち、クラッディング外表面５２の外）に散乱することに起因する。よって、ファイバ部分１２Ｂは、長さＬの拡張光源を構成し、「光源ファイバ部分」と称される。

一例となる実施の形態では、入力ファイバ部分１２Ａは、直線であるか、または直線部分を有するか、または、実質的に散乱を誘起しない、なだらかな曲げを含む。別の例となる実施の形態では、入力ファイバ部分１２Ａが存在せず、光は光源ファイバ部分１２Ｂに直接入射する。

さらに別の例となる実施の形態では、光源ファイバ部分１２Ｂは、光が側面４８の外に散乱するように、相当量のレイリー散乱を誘起する、少なくとも１つ、好ましくは複数の曲げ１３０を有するらせん状のセクションを含む。一例となる実施の形態では、少なくとも１つの曲げは、コイルなどに関係する「連続的な」曲げである。他の例となる実施の形態では、曲げは、一連の別個のループによって構成される。

ファイバ１２は、図４に示すように、入力ファイバ部分１２Ａの末端に入力端１２Ｉを備える。入力端１２Ｉは、入力ファイバ部分１２Ａが存在しない場合には、光源ファイバ部分１２Ｂの末端に存在してもよい。

図５は、照明系１００の一例となる実施の形態を例証する、ファイバ１２の拡大図であり、ここで、入力ファイバ部分１２Ａは、光源ファイバ部分１２Ｂを構成するナノ構造光ファイバの別のセクションに光学的に結合された、ナノ構造ファイバの第１のセクションを構成する。ファイバセクション間の連結は、光結合装置１１６を介して達成される。

図６は、照明系１００の一例となる実施の形態を例証する、図５と同様の別の拡大図であり、ここで、入力ファイバ部分１２Ａは、光結合装置１１６を通じて光源ファイバ部分１２Ｂに光学的に結合された、異なるタイプの光ファイバ（例えば、非ナノ構造光ファイバ）１１８によって形成される。光結合装置は、例えば、接合（例えば、溶融または機械的）、または図６に示すような個別の光コネクタ１１６Ａおよび１１６Ｂでありうる。

再び図４を参照すると、一例となる実施の形態では、照明系１００は、１つ以上の曲げ１３０を形成するように、周囲に光源ファイバ部分１２を屈曲させた（例えば、図に示すように、らせん状に巻いた）支持構造物１２０を備えている。一例となる実施の形態では、支持構造物１２０は、図に示すように、ロッドである。一例となる実施の形態では、支持構造物１２０は複数のセクションを備えている。

図４に示すものなど、一例となる支持構造物１２０は、外表面１２２および第１および第２の末端１２４および１２６を備えている。一例となる実施の形態では、支持構造物１２０は、重量を軽減するために中空になっており、さらに例となる実施の形態では、プラスチック、ＴＹＬＯＮまたはＰＶＣ管など、軽量の不活性物質でできている。中空の支持構造物１２０は内部１２７を画成する。一例となる実施の形態では、支持構造物が、光源ファイバ部分から放射される光の量を実質的に妨げないか、あるいは別の方法で実質的に低下させないように、支持構造物１２０は、光源ファイバ部分１２Ｂによって導かれる光の波長には透明である。別の例となる実施の形態では、支持構造物が光源ファイバ部分によって周辺に放射される光の量を増強するように、支持構造物１２０は、光源ファイバ部分１２Ｂによって導かれる光の波長を反射する。

一例となる実施の形態では、光源ファイバ部分１２Ｂが多くの異なる形状（例えば、曲線状、円状、らせん状など）で形成されるように、支持構造物１２０は柔軟であり、曲げることができる。多くの支持構造物素子を、下記のように、格子、十字、正方形、長方形など、広範なさまざまな支持構造物の表面形状を形成するように組み合わせることもでき、支持構造物１２０は、使用する生物学的チャンバ１１０の特定の構成での使用に適するように構成されることが好ましい。

一例となる実施の形態では、光源ファイバ部分１２Ｂは、支持構造物の表面１２２の周囲にファイバ１２を巻く（例えば、らせん状に巻く）ことによって形成される。しかしながら、他の例となる実施の形態では、支持構造物１２０は使用されないか、または最終的な照明系１００の一部ではない。むしろ、曲げ１３０が最初に形成され（例えば、支持構造物１２０を使用）、次に、曲げ１３０が維持されるようにファイバ１２を処理する。例えば、曲げ１３０は、支持構造物１２０の周囲に光源ファイバ部分１２Ｂを曲げ、次に、接着剤またはエポキシ樹脂を使用して曲げ１３０を適所に固定し、次いで、支持構造物を取り除くことによって形成されて差し支えない。別の例となる実施の形態では、ファイバ１２は、中空の、透明な支持構造物１２０の内部の周りに巻き付き、光源ファイバ部分１２Ｂを形成する。

続いて図４を参照すると、照明系１００は、さらに、ファイバ１２の入力端１２Ｉに光学的に結合された光源１５０を備えている。光源１５０は光１５２を放射する。光源１５０からの光１５２は、照射される生物学的材料にとって感受性である、少なくとも１つの波長を含む。

一例となる実施の形態では、光結合は、光源１５０とファイバ入力端１２Ｉの間に配置された１つ以上の光学素子１６２で構成されうるものなど、光結合系１６０を使用して達成される。例となる実施の形態では、光源１５０はレーザ、１つ以上の発光ダイオード、電球を含むか、または、太陽であり、この場合、光結合系１６０は１つ以上の太陽光収集素子（例えば、１つ以上の鏡）を光学素子１６２として含む。

続いて図４を参照すると、生物学的チャンバ１１０は、内部１７２を画成する１つ以上の壁１７０を備える。一例となる実施の形態では、内部１７２は、藻類（例えば、藻類コロニー、藻類ブルーム）または細菌（例えば、シアノバクテリア）などの光感受性の生物学的材料１８０を含む。一例となる実施の形態では、生物学的材料１８０は、水などの支持培地１８４に懸濁してもよい。光源ファイバ部分１２Ｂの少なくとも一部は、チャンバ内部１７２に配置され、チャンバ内部およびその中に含まれる生物学的材料１８０を照らす。一例となる実施の形態では、ファイバ１２は、開口部１９０を通じてチャンバ内部１７２に供給され、一例となる実施の形態では、この開口部は、チャンバ１１０からの生物学的材料１８０および／または支持培地１８４の望ましくない放出を妨げるために、封止できるように構成される。

照明系１００の動作では、光１５２を発生するように、光源１５０が活性化される。光１５２は、入力端１２Ｉにおいて光結合系１６０を介してファイバ１２に連結する。上述のように、光１５２は、生物学的材料１８０にとって感受性の波長を含み、特定の例となる実施の形態では、波長は生物学的材料を成長させる波長である。

一例となる実施の形態では、光源１５０に由来する光１５２は、光阻害を回避することによって、ある種の生物学的材料１８０の細胞増殖の効率を改善するような方法で発生させた光パルスを含む。

光１５２は入力ファイバ部分１２Ａを流下し、その中に実質的に含まれ、入力光のほとんどが光源ファイバ部分１２Ｂに伝達される。中心軸１６から光源ファイバ部分１２Ｂの外表面５２の外への光の散乱は、光源ファイバ部分の長さにわたり、実質的に均一な照明を生じる。すなわち、光源ファイバ部分は、放出される放射線１５２’の形状をした実質的に均一な照明を提供する、拡張光源としての役割をする。一例となる実施の形態では、光源ファイバ部分１２Ｂにおける主な光散乱メカニズムはレイリー散乱である。一例となる実施の形態では、放出される放射線１５２’の一部は、下記のように、曲げ損失に由来する。

実質的に均一な放射線の形成
ファイバ１２は、典型的には、電気通信用途のための意図する近赤外線波長範囲における散乱に由来する、比較的低い減衰を有するが、散乱に由来する減衰は、生物学的材料１８０が最も感受性である、より短い可視波長では、はるかに高くなる。

図７は、８００ｎｍ以上の近赤外線波長と比較して、可視波長範囲における非常に大きい損失を例証する、典型的な電気通信の光ファイバについての、波長（ｎｍ）に対するｄＢ／ｋｍで表す減衰（損失）のプロットである。

注目されるのは、より短い可視波長においても、ファイバ１２は、曲げ１３０に由来する曲げ損失に起因して「ホットスポット」が生じないように、実質的に曲げに非感受性のままであることである。一例となる実施の形態では、「曲げ非感受性」は、これらの波長において小さい曲げ損失を有するファイバ１２とは対照的に、可視波長における一様損失として表される。よって、一部の例では、放出される放射線１５２’の一部は曲げ損失によるが、放出される放射線の別の部分（例えば、残りの部分）は散乱損失に起因する。ここで重要な点は、曲げ損失は、必ずしも小さい必要はないが、実質的に均一のままであることである。このような均一の曲げ損失は、さもなければファイバが曲げに感受性である場合に生じる「ホットスポット」の発生を和らげ、これは、放出される放射線１５２’に実質的な非均一性を発生させる、ファイバにおける曲げ依存性の損失につながる。

また図８を参照すると、光源ファイバ部分１２Ｂにおける曲げ１３０は、光１５２の散乱が実質的に増強され、可視波長において約１０〜２０ｄＢ／ｋｍになるような、曲げ半径Ｒ_Bを有する。よって、光１５２が光源ファイバ部分１２Ｂおよびその内部の曲げ１３０に達する際に、散乱により、ファイバの長さに沿って、放射光１５２’としてファイバの外に散乱される一部の光を生じる。次に、放射光１５２’の一部は、生物学的材料１８０に吸収され、それによって生物学的材料の増殖速度を高める。

上述のように、一例となる実施の形態では、ファイバ１２のナノ構造領域３０は、直径約２００ｎｍ〜５００ｎｍの穴３２を有する。穴３２の直径は、ファイバ１２を形成する際に、圧密およびドロー工程において調節することができる。前述の穴３２の寸法は、曲げにより誘起されるレイリー散乱によって光１５２’が効率的に放射されるように、光生合成に所望される波長範囲に相当する。

図９は、ファイバ１２の長さＬ_Fに沿った、距離Ｄ（メートル）の関数としての強度Ｉのプロットである。プロットは、各長さＬ_Fについてのファイバに沿った距離の関数として、放射光１５２’の量（強度）の減少の仕方を例証している。図９のプロットは、強度Ｉが、ファイバを通る各通路Ｐの長さＬ_Fにわたり、直線的に５％下降することを示している。

しかしながら、ファイバ１２を６回折り重ねる（すなわち、ファイバを「逆巻きする」）ことによって（それによって６つのファイバ層または「巻き」を形成し）、光源ファイバ部分１２Ｂの長さＬが形成されることに留意されたい。こうして、光１５２は、放射光１５２’を放射すると同時に、同一の（折り畳まれた）長さＬにわたり、６つの通路を効果的に作り出す。

例えば、ファイバの長さＬにわたり２つの通路が存在するような、２つの逆巻きの巻線を有するファイバ１２の事例を考える。全強度Ｉは、各通路についての２つの強度曲線の合計である。入力端（Ｄ＝０）では、強度Ｉの合計は１００±９０＝１９０である。反対端Ｄ＝Ｌでは、強度Ｉの合計は９５±９５＝１９０である。Ｄ＝Ｌ／２における中間では、強度Ｉの合計は９２．５±０７．５＝１９０である。よって、ファイバ１２の逆巻きは、各通路についてのファイバの長さに沿って生じる放射光１５２’の減少量を相殺し、光源ファイバ部分１２Ｂから、比較的均一の（すなわち、実質的に一定の強度）拡張照明光源を生じる。

図１０は、光源ファイバ部分の長さに沿って実質的に均一の放射光１５２’を発生するファイバ１２の光源ファイバ部分１２Ｂにおいて、４つの逆巻き層の合計を含む、長さＬの光源ファイバ部分１２Ｂの一例となる実施の形態についての距離Ｄに対する相対強度Ｉのプロットである。長さＬ＝２５０メートルにわたり、放出される放射線１５２’の強度Ｉは、０．５％未満しか低下しないことは注目に値する。

ファイバ１２は、可視波長帯においても曲げに非感受性であることから、散乱を増強する比較的強い曲げ１３０の形成は、曲げ損失の理由から、長さに沿った放射線の均一性を乱さないであろう。

照明系１００Ｂから均一に拡張した照明を生じさせるために、本システムの例となる実施の形態は、１２を反対方向に逆巻きすることによって、高損失セクション１２Ｂを形成することを含む。必要とされるファイバの長さは、曲げ１３０の減衰および寸法に応じて決定することができる。

一例となる実施の形態では、光源ファイバ部分１２Ｂは、好ましくは、強度が、光源ファイバ部分の長さに沿って、わずかに１０％しか変化しない、さらに好ましくは±５％、さらに好ましくは±２．５％、さらになお好ましくは±１％しか変化しない、放射光１５２’を放射する。

図１１Ａは、支持構造物１２０の周囲に巻いた、逆巻きの２つのファイバ１２（１２−１および１２−２として識別される）を含む一例となる実施の形態を例証する、照明系１００の光源ファイバ部分１２の拡大図である。この実施の形態は、各ファイバ１２の長さに沿った放射光の量の減少の影響に対抗することにより、放射光１５２’を均一化する役割をする。他の例となる実施の形態では、複数のファイバ１２は、図１１Ａに示すように、放射光１５２’を均一化するために、多くの構成において支持構造物の周りに巻かれている。

図１１Ｂは、同一のファイバ１２が＋Ｘの方向および−Ｘの方向に逆巻きされることを除き、図１１Ａと同様である。ファイバ１２は、何回も逆巻きすることができ、正確な回数は、主に、ファイバの全長および生物学的チャンバ内部１７２の大きさによって制限される。ファイバ１２の逆巻きは、図１０に例証するように、ファイバの長さＬに沿った放射光の量の減少を補うことによって、放射光１５２’を均一化する役割をする。

図１１Ｃは、図１１Ｂと同様であり、複数の逆巻きの巻線を示すファイバ１２の光源ファイバ部分１２Ｂの一例となる実施の形態を例証しており、ここで、逆巻きの巻線は比較的きつく、「クロス巻き」した逆巻きの巻線、すなわち、＋Ｘ方向に巻いた巻線は、−Ｘ方向の逆巻きの巻線のものとは反対の方向に傾斜する。このような「クロス巻き」は、放射光１５２’の均一性をさらに改善する役割をする。

図１１Ｄは図１１Ｃと同様であり、さらに多くの逆巻きの巻線を有する、ファイバ１２の光源ファイバ部分１２Ｂの一例となる実施の形態を例証する。放射線１５２’の放射パターンは、図１１Ａ〜１１Ｄに示す光源ファイバ部分１２Ｂの表面形状が放射対称性であることに留意されたい。

一例となる実施の形態では、図１１Ｂに従った照明系１００の光源ファイバ部分１２Ｂは、直径１ｃｍのＴＹＬＯＮチューブの形態で支持構造物１２０の周囲に巻いた全長約１００ｍの多重モード１２５μｍ（半径）ナノ構造ファイバの形態のファイバ１２を使用して形成される。この種のファイバの曲げ損失は、比較的なだらかであり、レイリー散乱損失よりも少し高いが、均一の逆巻きの巻線は実質的に均一な照明を生じる。

図１２は、複数のファイバの順次的な巻き（例えば、ファイバ１２−１、１２−２、１２−３、１２−４および１２−５）から形成される、照明系１００の光源ファイバ部分１２Ｂの一例となる実施の形態を例証する。ファイバ１２は、個別の入力端１２Ｉにおいてファイバ・バンドル２１２に配置され、拡張光源を形成するように、支持構造物１２０の長さに沿って順次的な巻きセクションＳ（Ｓ１〜Ｓ５）を形成するように構成される。ファイバ１２の順次的な巻線構成は、実質的に均一の放射光１５２’を提供する拡張光源としての機能を果たす各セクションＳによって、放射光１５２’の均一性を増大する。各セクションＳの軸長は、図９のプロットに例証されるように、軸長の関数としての放射光１５２’の量が入力端１２Ｉにおける入射光のある特定の閾値（例えば、〜９５％）を下回らないように選択される。

その後のセクションＳは、例えば、ファイバ１２−ｎを、内部ファイバである次のファイバ１２−（ｎ＋１）と交換することによって形成される。

例えば、支持構造物１２０によって支持された１００本のファイバ１２が束になって存在し、拡張光源の所望の長さが１０ｍの場合、ファイバ１２−１はセクションＳ１において第１の０．１ｍ、ファイバ１２−２はセクションＳ２において第２の０．１ｍなど、ファイバ１２−１００がセクションＳ１００において最後の０．１ｍだけ、束の周囲に巻き付くまで、束の周囲に巻き付ける。一例となる実施の形態では、光源ファイバ部分１２Ｂにおける異なるファイバ１２の順次的な巻きは、光ファイバのより線に使用されるものと同様の自動工程を使用して達成される。一例となる実施の形態では、１つ以上のセクションＳは、１つ以上のセクションに由来する放射光１５２の均一性を増大させる逆巻きのファイバ１２を含む。順次的な巻きの使用により、長尺の拡張光源ファイバ部分１２Ｂの形成が可能となる。

図１３は、照明系７０の前方部（すなわち、光を発生および集光する部分）の一例となる実施の形態を例証しており、ここで、光源１５０および光結合系は、光源からの光１５２が、例えば、図示するように、ファイバ・バンドル２１２に配置される、複数のファイバ１２のそれぞれの入力端１２Ｉ内に結合するように構成される。ファイバ・バンドル２１２は、集光した太陽光をチャンバ内部１７２に伝えるための便利な方法である。このような方法で、数百ワットの太陽エネルギーをチャンバ内部１７２に伝えることができる。代替となる実施の形態では、図１３に示すものと同様に、さまざまなファイバ１２は、単一の光源ではなく、１つ以上の光源１５０と光学的に結合される。

コーティング
一例となる実施の形態では、光源ファイバ部分１２Ｂにおけるファイバ１２は、上述の図２に関連するように、層４４を有しうる。一例となる実施の形態では、層４４は、改善された湿潤付着性を提供する、ＵＶ硬化性アクリレートコーティングなどの親水性コーティングを含む。親水性コーティング４４は、細胞増殖培地およびファイバ１２の保護カバーとして機能する。このように、細胞死が生じないことを確実にするために、化学修飾または原材料置換が必要な場合がある。

層４４の親水性コーティングの例は、表面への細胞粘着および増殖の改善に通常使用されるものであり、カルボン酸官能性およびアミン官能性（例えば、アクリル酸またはアクリルアミドを含む処方）が挙げられる。加えて、層４４の親水性コーティングは、生物学的材料１８０の増殖に必須の栄養素の容器としての役割をすることによっても改善されうる。

一例となる実施の形態では、層４４は、市販の「育成用照明」により得られるものと同様の光を発生する、放射光１５２’を改質する作用をする、蛍光または紫外線吸収分子を含む。

ナノ構造光ファイバなどの光ファイバは、ポリマー、金属、またはガラスの被覆（またはコーティング）内に封入されて差し支えなく、ここで、前記被覆は、２５０μｍより大きい最小外のり寸法（例えば直径）を有する。ファイバが金属コーティングを有する場合、熱コーティングは、放射状の空間に(半径方向に)またはファイバの長さに沿った放射の修正のため、セクションを開放しうる。

上述のように、光ファイバは、光ファイバ外表面に配置された親水性コーティングを含みうる。あるいは、親水性コーティングは、ファイバリボンの外表面に配置されてもよい。また、蛍光種 (例えば、紫外線−吸収材料)は、光ファイバコーティングに配置されうる。

さらには、追加のコーティング層をファイバ外表面上に提供してもよく、この層は、放射光を修正するように構成される。追加のコーティングは、放射状の空間における光の分布を修正するため、ＴｉＯ₂などの分散する粒子を有しうる。コーティングは、光の放出波長を修正するために傾向種を含んで差し支えなく、あるいは、放出した光スペクトルを追加的に修正するため、インクなどの吸収種を有しうる。

例となる照明系の構成
図１４は、生物学的成長システム９８および生物学的成長システムに用いられる照明系１００の一例となる実施の形態を例証しており、ここで、生物学的チャンバ１７０はフラスコの形状をしている。図１４の実施の形態では、光源ファイバ部分１２Ｂは、図１１Ｂに示すものと同様の単一の逆巻きファイバでできている。図１４の照明系１００は、後述する生物学的成長実験を行うのに使用した。

図１５は、生物学的成長システム９８および生物学的成長システムに用いられる照明系１００の一例となる実施の形態（上から見た図）を例証するものであり、ここで、照明系１００の光源ファイバ部分１２Ｂは、図に示すように、長方形の断面をした生物学的チャンバ１１０に使用するのに適した方形構造を有する。

図１６は、生物学的成長システム９８および生物学的成長システムに用いられる照明系１００の一例となる実施の形態（上から見た図）を例証しており、ここで、照明系１００は、図示するように、円形の断面をした生物学的チャンバ１１０に使用するための円形の形状に構成された光源ファイバ部分１２Ｂを有する。図１６の照明系１００の一例となる実施の形態は、図のように、環状の支持構造物１２０を使用する。図１６は、円形の光源ファイバ部分１２Ｂを形成するように、支持構造物１２０の周りに時計回りに巻いた工程におけるファイバ１２を示している。

照明系１００の光源ファイバ部分１２Ｂのための他の形状および表面形状は、本発明に包含され、用途の特定の必要性、特に生物学的チャンバ１１０の表面形状の関数である。一例となる実施の形態では、光源ファイバ部分１２Ｂは、生物学的チャンバ１１０の表面形状によって画成される。例えば、光源ファイバ部分１２Ｂの設計は、チャンバのすべての部分にわたり、実質的に均一の曝露を提供する必要性によって規定されうる。

光拡散ファイバの追加の利点は、ファイバを、リボンとして知られるマルチファイバ束に束ねるという疑う余地のない能力である。典型的なリボン構造は、２〜３６本のファイバの範囲である。リボン構造に由来する別の利点は、リボンは、波状、らせん状、または渦巻状などの他の曲げ構造を形成するように製造することができ、それによって光を散乱させうることから、ファイバの巻きの必要性がもはや必要ではないことである。さらには、マルチファイバリボンの使用は、大量のリボンを積み重ねする可能性を与える。このようなリボンの積み重ねは、より集中質量の導光を可能にするだけでなく、赤色レーザ、日光、発光ダイオード、または点光源の誘導など、さまざまな抗原の使用の可能性を開くであろう。例えば、１つの実施の形態によれば、複数のナノ構造光ファイバを、支持構造の周囲に巻いて差し支えなく、各ナノ構造光ファイバは、光源または複数の光源に光結合しうるが、ナノ構造光ファイバは、リボン、積層リボン、または円形の束のうちの少なくとも１つにまとめて束ねられる。

実験結果
図１４に例証する形態の光源ファイバ部分１２Ｂを有する照明系１００を用いて、シアノバクテリア（Synechocystis sp. ＰＣＣ６８０３）の形態の生物学的材料の増殖をサポートする実験を行った。実験には、照明系１００を使用せず、代わりに照明系１００と同量の光を与える蛍光性の光源を用いた対照群を含めた。

図１７Ａは、照射されたシアノバクテリア（「試験群」Ｔ）および対照群Ｃの両方についての植菌の増殖日数に対するバイオマス（細胞密度として表す）のプロットである。プロットは、現行の実験設定下では、対照群と比較して試験群では増殖速度が早いことが示されている。試験群および対照群の両方を、フラスコ（振とう器）の形態をした生物学的チャンバ１１０内に入れた。照明系１００を除き、対照群および試験群の両方で、増殖条件は同一、すなわち：３０℃、１０５ｒｐｍの曝気速度、および約０．０３％のＣＯ₂（周囲空気）であった。

対照群では、照明は、チャンバ内の光強度が５０μｍｏｌ／ｍ²／秒になるように、増殖チャンバの上の蛍光ランプによって提供された。試験群では、５３０ｎｍの光を発生するレーザ−光源を使用した。

光源ファイバ部分１２Ｂを培地（すなわち、生物学的材料）内に置き、フラスコをアルミ箔で覆った。光源ファイバ部分１２Ｂから放出される放射線１５２’の強度は、対照群と同一の強度となるように調整した。光源ファイバ部分１２Ｂはシアノバクテリアの増殖をサポートする非常に良好な生体適合性を実証し、実験は、照明系１００が他の種類の生物学的用途および異なる生物学的チャンバ表面形状に非常に良く適合するであろうという立場を支持している。

シアノバクテリア （Synechocystis sp. ＰＣＣ６８０３）の形態の生物学的材料の増殖をサポートするために、図１４に例証する形態の光源ファイバ部分１２Ｂを有する照明系１００を用いた、追加の実験を行った。実験には、照明系１００を使用せず、代わりに照明系１００と同量の光を与えるファイバチップ（点光源）を通じて光を伝達する光源を用いた対照群を含めた。典型的な光源は、レーザ、発光ダイオード、日光、または蛍光の光源でありうる。

図１７Ｂは、照射されたシアノバクテリア（「試験群」）および対照群の両方についての植菌の増殖日数に対するバイオマス（細胞密度として表す）のプロットである。プロットは、現行の実験設定下では、対照群と比較して試験群では増殖速度が早いことが示されている。試験群および対照群の両方を、フラスコ（振とう器）の形態をした生物学的チャンバ１１０内に入れた。照明系１００を除き、対照群および試験群の両方で、増殖条件は同一、すなわち：３０℃、１０５ｒｐｍの曝気速度、および約０．０３％のＣＯ₂（周囲空気）であった。対照群および試験群の両方で、５３０ｎｍの光を発生するレーザ光源を用いた。
光源ファイバ部分１２Ｂを培地（すなわち、生物学的材料）内に置き、フラスコをアルミ箔で覆った。光源ファイバ部分１２Ｂから放出される放射線１５２’の強度は、対照群と同一の強度となるように調整した。光源ファイバ部分１２Ｂはシアノバクテリアの増殖をサポートする非常に良好な生体適合性を実証し、実験は、照明系１００が他の種類の生物学的用途および異なる生物学的チャンバ表面形状に非常に良く適合するであろうという立場を支持している。

前述の説明は、単に本発明の典型例であって、特許請求の範囲に定義される本発明の性質および特徴を理解するための概観を提供することが意図されていることが理解されるべきである。添付の図面は、本発明のさらなる理解を提供するために含まれ、本明細書に取り込まれ、本発明の一部を構成する。図面は、本発明のさまざまな特性および実施の形態を例証し、その説明と共に、本発明の原理および動作を説明する役割をする。添付の特許請求の範囲に定義される本発明の精神または範囲から逸脱することなく、本明細書に記載される本発明の好ましい実施の形態には、さまざまな変更をなしうることが、当業者にとって明らかになるであろう。

Claims (15)

1. 生物学的材料を収容するように構成された内部を有する生物学的チャンバを有する生物学的成長システムのための照明系であって、
   前記生物学的材料にとって感受性の波長を有する光を発生する光源と、
   中心軸、外表面、および前記光源に光学的に結合した末端を有する、少なくとも１つのナノ構造光ファイバと、
   を備え、
   ある長さを有し、その長さにわたって実質的に均一な放射線を放射する光源ファイバ部分を形成するため、導光を前記中心軸から前記外表面を通じて外に散乱するように、前記ファイバが、その中に形成された複数の曲げを有するように構成される、
   照明系。
2. 前記少なくとも１つのナノ構造光ファイバが、支持構造物の周りに逆巻きされることを特徴とする請求項１記載の照明系。
3. 前記複数の曲げがレイリー散乱を誘起することを特徴とする請求項１記載の照明系。
4. 前記実質的に均一な放射が、前記光源ファイバ部分にわたり、わずか±１０％しか変化しないことを特徴とする請求項１記載の照明系。
5. 第１の末端において前記少なくとも１つのナノ構造光ファイバと光学的に結合し、第２の末端において前記光源と光学的に結合した、少なくとも１つの光ファイバセクションをさらに備えることを特徴とする請求項１記載の照明系。
6. （ｉ）前記光ファイバ外表面上に配置された親水性コーティング；および／または
   （ｉｉ）前記光ファイバ外表面上に配置された蛍光および／または紫外線−吸収分子
   をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の照明系。
7. 生物学的材料を収容するように構成された内部を有する生物学的チャンバと、
   前記生物学的材料にとって感受性の波長を有する光を発生する光源と、
   中心軸、外表面、および前記光源と光学的に結合した末端を有する、少なくとも１つのナノ構造光ファイバと、
   を備えた生物学的成長システムであって、
   ある長さを有し、その長さにわたって実質的に均一な放射線を放射する光源ファイバ部分を形成するため、導光を前記中心軸から前記外表面を通じて外に散乱するように、前記ファイバが、その中に形成された複数の曲げを有するように構成された、
   生物学的成長システム。
8. 前記少なくとも１つのナノ構造ファイバが、支持構造物によって支持されることを特徴とする請求項７記載の生物学的成長システム。
9. 前記少なくとも１つのナノ構造ファイバが、前記支持構造物の周りに１回以上逆巻きされ、それによって、前記実質的に均一な放射線が、前記光源ファイバ部分にわたり、均一性の点でわずか±１０％しか変化しないようにすることを特徴とする請求項７記載の生物学的成長システム。
10. 複数のナノ構造光ファイバが、前記支持構造物の周りに、前記支持構造物に沿って順巻きされ、
    各光ファイバが、前記光源または１つ以上の光源に光学的に結合されることを特徴とする請求項７記載の生物学的成長システム。
11. 生物学的材料を支持するように構成された内部を有する生物学的チャンバに、実質的に均一な照明を提供する方法であって、
    中心軸および外表面を有する少なくとも１つのナノ構造光ファイバにおいて、
    前記少なくとも１つのファイバにおけるレイリー散乱が実質的に増大するように構成された複数の曲げを形成し、ここで、前記複数の曲げが前記少なくとも１つのファイバの光源ファイバ部分を形成し、
    前記生物学的チャンバ内部に前記光源ファイバ部分を配置し、
    前記少なくとも１つのファイバ内に光を入射し、前記光の一部を前記中心軸から前記外表面を通じて外にレイリー散乱させ、それによって前記光源ファイバ部分から実質的に均一な放射線を放出させ、ここで、前記実質的に均一な放射線が、前記生物学的材料にとって感受性の波長を含む、
    各工程を有してなる、方法。
12. 前記実質的に均一な放射線が、前記光源ファイバ部分にわたり、均一性の点で、わずか±１０％しか変化しないように、前記少なくとも１つのファイバを１回以上、逆巻きすることを特徴とする請求項１１記載の方法。
13. 前記生物学的チャンバ内部が表面形状を有し、前記表面形状に対応するように前記光源ファイバ部分を形成することを特徴とする請求項１２記載の方法。
14. 前記ファイバ外表面上に層を提供する工程をさらに含み、前記層が前記放射光を修正するように構成されることを特徴とする請求項１３記載の方法。
15. 前記層が、蛍光および／または紫外線−吸収分子を含むことを特徴とする請求項１４記載の方法。

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