JP2011529200A - 二重クラッド光ファイバおよび二重クラッド光ファイバを備えたデバイス - Google Patents

Abstract

二重クラッド光ファイバは、シリカ系ガラスのコア、内側クラッドおよび外側クラッドを有してなる。コアは、約５μｍ未満の半径、および第１の屈折率ｎ₁を有し、活性希土類ドーパントは全く含んでいない。内側クラッドは、コアを取り囲み、少なくとも約２５μｍの半径方向厚さ、少なくとも約０．２５の開口数、およびｎ₂＜ｎ₁となるような第２の屈折率ｎ₂を有する。コアの内側クラッドに対する相対屈折率パーセント（Δ％）は、約０．１％より大きい。外側クラッドは、内側クラッドを取り囲み、約１０μｍから約５０μｍの半径方向厚さ、およびｎ₃＜ｎ₂となるような第３の屈折率ｎ₃を有する。内側クラッドの外側クラッドに対する相対屈折率パーセント（％）は、約１．５％より大きい。

Description

本発明は、二重クラッド光ファイバおよび二重クラッド光ファイバを利用したデバイスに関し、より詳しくは、開口数が大きい内側クラッドを有する二重クラッド光ファイバおよびそのような二重クラッド光ファイバを利用した内視鏡に関する。

内視鏡、特に、二光子蛍光プロセスを利用した非線形内視鏡が、サンプルおよび／または被験者に蛍光顕微鏡法を実施するための最良の非侵襲手段の１つとして出現した。非線形光学内視鏡では、光ファイバにより標的上に向けられた励起レーザビーム源が利用される。励起レーザビームの標的との相互作用により、標的物質が、二光子吸収のために蛍光を発しすなわち発光し、これが、さらなる分析、イメージング、分光などのために光ファイバにより内視鏡に戻って集光される。単光子顕微鏡法と比較して、二光子蛍光顕微鏡法では、固有の光学切片(optical sectioning)特性、より大きい侵入長および柔軟な光学スペクトル・アクセシビリティが提供される。

二光子蛍光プロセスを利用した非線形内視鏡の重要な構成要素の１つは、内視鏡に使用される光ファイバである。励起レーザビームを関心のある標的に送達するために、内視鏡に標準的なシングルモードの光ファイバが利用されているであろうが、これらの光ファイバは、さらなる分析、像形成、分光などのために、標的により発せられた光信号を内視鏡に戻すように集光するのには適していない。これは主に、標準的なシングルモードの光ファイバの小さい開口数と小さなコアサイズのためであり、これにより、光ファイバの集光効率が制限されてしまう。

非線形光学内視鏡の集光効率を改善するために、二重クラッド光ファイバが用いられるであろう。そのような光ファイバは、一般に、コア、内側クラッドおよび外側クラッドを備えている。内視鏡の励起ビームは、光ファイバのコアを通じて標的に送達され、標的から発せられた光が、光ファイバの内側クラッドを通じて内視鏡に戻されて集光される。しかしながら、ほとんどの標準的な二重クラッド光ファイバの集光効率は、内側クラッドの開口数が小さいために、まだ低い。光結晶二重クラッド光ファイバなどの、開口数の大きい内側クラッドを有する二重クラッド光ファイバが開発された。しかしながら、光結晶二重クラッド光ファイバは、一般に、標準的な光ファイバよりも製造するのが難しく、その結果として、高価である。

したがって、代わりの二重クラッド光ファイバおよびそれを利用した非線形光学内視鏡が必要とされている。

ある実施の形態において、二重クラッド光ファイバは、シリカ系ガラスのコア、内側クラッドおよび外側クラッドを有してなる。コアは、約５μｍ未満の半径、および第１の屈折率ｎ₁を有し、活性希土類ドーパントは全く含んでいない。内側クラッドは、コアを取り囲み、少なくとも約２５μｍの半径方向厚さ、少なくとも約０．２５の開口数、およびｎ₂＜ｎ₁となるような第２の屈折率ｎ₂を有する。コアの内側クラッドに対する相対屈折率パーセント（Δ％）は、約０．１％より大きい。外側クラッドは、内側クラッドを取り囲み、約１０μｍから約５０μｍの半径方向厚さ、およびｎ₃＜ｎ₂となるような第３の屈折率ｎ₃を有する。内側クラッドの外側クラッドに対する相対屈折率パーセント（Δ％）は、約１．５％より大きい。

別の実施の形態において、非線形光学内視鏡は、レーザ光源、二重クラッド光ファイバ、ビーム走査ユニット、光検出器およびコンピュータを備えている。二重クラッド光ファイバは、コア、内側クラッドおよび外側クラッドを備えている。コアは、約５μｍ未満の半径、および第１の屈折率ｎ₁を有し、活性希土類ドーパントは全く含んでいない。内側クラッドは、コアを取り囲み、少なくとも約２５μｍの半径方向厚さ、少なくとも約０．２５の開口数、およびｎ₂＜ｎ₁となるような第２の屈折率ｎ₂を有する。コアの内側クラッドに対する相対屈折率パーセント（Δ％）は、約０．１％より大きい。外側クラッドは、内側クラッドを取り囲み、約１０μｍから約５０μｍの半径方向厚さ、およびｎ₃＜ｎ₂となるような第３の屈折率ｎ₃を有する。内側クラッドの外側クラッドに対する相対屈折率パーセント（Δ％）は、約１．５％より大きい。レーザ光源の出力は、レーザ光源の出力が二重クラッド光ファイバのコアに向けられるように、二重クラッド光ファイバの第１の端部で二重クラッド光ファイバのコアに光学的に結合されている。光検出器は、二重クラッド光ファイバの第１の端部で二重クラッド光ファイバの内側クラッドに結合され、内側クラッドを通る光を電気信号に変換するように動作可能である。コンピュータは、光検出器に電気的に接続され、光検出器より受信した電気信号から画像を形成するように動作可能である。ビーム走査ユニットは、光ファイバの第２の端部に光学的に結合され、二重クラッド光ファイバのコア中を案内されたレーザ光源の出力を標的に亘り二次元で走査し、標的から発せられた光を二重クラッド光ファイバの内側クラッドに集光するように動作可能である。

本発明の追加の特徴および利点は、以下の詳細な説明に述べられており、一部は、その説明から当業者には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、並びに添付の図面を含む、ここに記載された発明を実施することによって認識されるであろう。先の一般的な説明および以下の詳細な説明の両方が、本発明の実施の形態を提示し、特許請求の範囲に記載された本発明の性質および特徴を理解するための潰瘍または構成を提供することが意図されているのが理解されよう。

図面に述べられた実施の形態は、本質的に例示であり、請求項により定義された本発明を制限することを意図していない。さらに、本発明の特定の例示の実施の形態の以下の説明は、同様の構造が同様の参照番号により示されている以下の図面と共に読んだときに理解できる。

図示され、ここに記載された１つ以上の実施の形態による二重クラッド光ファイバの断面図 図示され、ここに記載された１つ以上の実施の形態による図１Ａの二重クラッド光ファイバの屈折率プロファイル 図示され、ここに記載された１つ以上の実施の形態による外側クラッド内の空隙の無作為分布（サイズと位置の両方）を含む二重クラッド光ファイバの断面図 図示され、ここに記載された１つ以上の実施の形態による外側クラッド内の空隙の規則的分布（サイズと位置の両方）を含む別の二重クラッド光ファイバの断面図 光ファイバの開口数を測定するための試験装置の概略図 図４の試験装置を使用した光ファイバの角度方向の関数としての光ファイバを通して連結された光源の正規化されたパワーを示すグラフ 図示され、ここに記載された１つ以上の実施の形態による二重クラッド光ファイバを利用した非線形光学内視鏡の説明図

本発明の追加の特徴および利点は、以下の詳細な説明に述べられており、一部は、その説明から当業者には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、並びに添付の図面を含む、ここに記載された発明を実施することによって認識されるであろう。先の一般的な説明および以下の詳細な説明の両方が、本発明の実施の形態を提示し、特許請求の範囲に記載された本発明の性質および特徴を理解するための潰瘍または構成を提供することが意図されているのが理解されよう。

ここでは、以下の定義および用語法を使用する。

屈折率プロファイルは、光ファイバの選択された部分に亘る、光ファイバの中心線から測定された、光ファイバの相対屈折率（Δ％）と半径との間の関係である。

相対屈折率パーセントまたはデルタパーセント（Δ％）は：

として定義され、ここで、別記しない限り、ｎ_iは領域ｉにおける最大屈折率であり、ｎ_refは参照領域の屈折率である。

モードフィールド径（ＭＦＤ）は、シングルモードのファイバ内を伝搬する光のスポットサイズまたはビーム幅の尺度である。モードフィールド径は、光源の波長、ファイバのコア半径およびファイバの屈折率プロファイルの関数である。ＭＤＦは、ピーターマンII法を使用して測定され、ここで、

ここで、Ｅはファイバ内の電場分布であり、ｒはファイバの半径である。

ファイバの色分散または分散は、材料分散、導波路分散、およびモード間(inter-modal)分散の合計である。シングルモード導波路ファイバの場合には、モード間分散はゼロである。

ファイバの実効面積は、光がその中を伝搬するファイバの面積であり、

と定義され、ここで、Ｅは、ファイバ内で伝搬する光に関連する電場であり、ｒはファイバの半径である。

カットオフ波長は、光ファイバが伝搬モードを１つだけサポートする最小波長である。動作波長がカットオフ波長よりも小さい場合、マルチモード動作が行われ、追加の分散源の導入により、ファイバの情報伝達能力が制限されるであろう。数学的定義がSingle Mode Fiber Optics, Jeunhomme, pp. 39-44, Marcel Dekker, New York, 1990に見つかり、ここで、理論的ファイバのカットオフは、モード伝搬定数が外側クラッド内の平面波の伝搬定数に等しくなる波長と記載されている。この理論的波長は、直径変動のない無限長の好ましくは真っ直ぐなファイバに当てはまる。

ファイバのカットオフ波長は、理論的カットオフ波長よりも小さく、TIA-455-80B entitled “Measurement Cut-off Wavelength of Uncabled Single-mode Fiber By Transmitted Powerに記載されている技法などの伝送パワー技法を使用して測定される。二重クラッド光ファイバのコア領域内を伝搬する光と内側クラッド領域内を伝搬する光との間の干渉を避けるために、ローンチ・ファイバ(launch fiber)を使用して、光源を二重クラッド光ファイバのコアに向ける。このローンチ・ファイバは、二重クラッド光ファイバの予測されたコアファイバカットオフ波長よりもわずかに大きいカットオフ波長を有する。ローンチ・ファイバの長さは２メートルより長いべきである。ローンチ・ファイバのコアサイズは、二重クラッド光ファイバのコアサイズとほぼ同じである。測定において、ローンチ・ファイバは、二重クラッド光ファイバに注意深く心合せされて、ローンチ・ファイバのコアと二重クラッド光ファイバのコアとの間の効率的な結合が確実になる。

全ての波長依存性光学的性質（分散、カットオフ波長などの）が、指定の波長についてここに報告されている。

Δ₁％は、ここに用いたように、二重クラッド光ファイバのコアの、二重クラッド光ファイバの内側クラッドに対する相対屈折率パーセント（Δ％）を称することが理解されよう。したがって、

ここで、ｎ₁はコアの屈折率であり、ｎ₂は内側クラッドの屈折率である。

Δ₂％は、ここに用いたように、二重クラッド光ファイバの内側クラッドの、二重クラッド光ファイバの外側クラッドに対する相対屈折率パーセント（Δ％）を称することが理解されよう。したがって、

ここで、ｎ₂は内側クラッドの屈折率であり、ｎ₃は外側クラッドの屈折率である。

図１Ａは、図示され、ここに記載されたある実施の形態による、開口数の大きい二重クラッド光ファイバを示している。ここに記載された二重クラッド光ファイバは、一般に、コア、内側クラッドおよび外側クラッドを有してなる。外側クラッドと内側クラッドの材料は、外側クラッドと内側クラッドの屈折率により、開口数の大きい内側クラッドが生成されるように選択される。コア、内側クラッドおよび外側クラッドは、一般に、シリカ、特にシリカガラスからなる。二重クラッド光ファイバを利用した構造、組成物、製造方法、特徴およびデバイスが、ここにより詳しく説明され、論じられる。

ここで、図１Ａおよび１Ｂを参照すると、ここに記載される１つの実施の形態による、二重クラッド光ファイバ１００の断面図および対応する屈折率プロファイルが示されている。この二重クラッド光ファイバ１００は、一般に、コア１０２、内側クラッド１０４および外側クラッド１０６を有してなる。図示された実施の形態において、コア１０２、内側クラッド１０４および外側クラッド１０６は、一般に、シリカ、特にシリカガラスからなる。ある実施の形態（図示されていない）において、１つ以上の保護被覆が外側クラッド１０６を取り囲んでいてもよい。ここに図示された実施の形態において、二重クラッド光ファイバの断面は、一般に、コアの中心に対して円対称であってよいが、光ファイバおよび光ファイバの個々の層（例えば、コア、内側クラッドおよび外側クラッド）は、他の幾何学構造を有していてもよい。二重クラッド光ファイバが図１に示されるように円対称である場合、二重クラッド光ファイバ１００の外径（例えば、２ｒ₃）は、約１２５μｍから約５００μｍ、より好ましくは１２５μｍから約３００μｍ、最も好ましくは１２５μｍから約２５０μｍであってよい。

図１に示された実施の形態において、コア１０２は第１の屈折率ｎ₁を有するものとする。コア１０２は、純粋なシリカ（ＳｉＯ₂）からなっていても、あるいは、コア１０２は、コアが「アップ・ドープ(up-doped)」されている場合など、例えば、ＧｅＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｐ₂Ｏ₅、ＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂、Ｎｂ₂Ｏ₅および／またはＴａ₂Ｏ₅などの屈折率上昇ドーパントを１種類以上含んでもよい。ここに論じられる実施の形態および実施例において、コア１０２は、約５．５質量％から約３２．５質量％のＧｅＯ₂、より好ましくは約５．５質量％から約１５質量％のＧｅＯ₂、最も好ましくは約５．５質量％から約１０質量％のＧｅＯ₂を含有してもよい。

コア１０２の半径ｒ₁は、二重クラッド光ファイバのコアを通って伝搬する光のスポットサイズが、対応する高い光パワー密度に関して小さく、それによって、二重クラッド光ファイバが非線形光学内視鏡と共に使用された場合に強力な非線形効果を生じるように、約１．５μｍから約５μｍ、より好ましくは約２μｍから約４．５μｍ、最も好ましくは約２．５μｍから約４μｍであってよい。しかしながら、そのスポットサイズは、光源を二重クラッド光ファイバのコアに効率的に結合するのに十分に大きいべきでもある。二重クラッド光ファイバのコア１０２の実効面積は、約７μｍ²から約８０μｍ²、より好ましくは約１３μｍ²から約６４μｍ²、最も好ましくは約２０μｍ²から約５０μｍ²であってよい。

コアの内側クラッドに対する相対屈折率パーセント（Δ％）（例えば、Δ₁％）は、少なくとも０．１％、より好ましくは約０．２％より大きく、最も好ましくは約０．３％より大きくてよい。コアの開口数ＮＡは、そのコアが光信号を受け取るまたは発する角度の範囲を特徴付け、コア１０２と内側クラッド１０４の屈折率に正比例する（ここにさらに論じられる）。ここに用いたように、「コアの開口数」は、屈折率ｎ₁を有するコアおよび屈折率ｎ₂を有する内側クラッドについて、

と表される。別記しない限り、コアの開口数すなわちＮＡ_coreへの言及は、上述した数学的関係によって決定されるコアの開口数を称する。図示され、ここに記載された実施の形態において、コア１０２および内側クラッド１０４を構成する材料は、コア１０２の開口数が、好ましくは約０．０８から約０．２、より好ましくは約０．１から約０．１５、最も好ましくは約０．１２である。このコアの屈折率プロファイルは、図１Ｂに示されるようなステップ型プロファイル、丸まったステップ型プロファイル、または勾配プロファイルであってよい。

ある実施の形態において、コア１０２は受動型であってよく、例えば、コア１０２は、コア１０２において利得または発振作用を可能にする活性元素を全く含有しない。詳しくは、コア１０２は、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｎｄ、Ｔｍ、ＳｍおよびＴｂを含むどのような希土類ドーパントも含まない。ある実施の形態において、コア１０２におけるシリカガラスの軟化温度を低下させるために、コア１０２にリンを添加してもよい。コアが内付け気相成長（ＩＶＤ）プロセスによって製造される場合、このことは特に都合よい。コア１０４の屈折率を上昇させるために、リンを添加してもよい。

図示され、ここに記載される実施の形態において、二重クラッド光ファイバのコアは、例えば、８００ｎｍ、１０６０ｎｍ、１３１０ｎｍおよび１５５０ｎｍの波長などの、所望の動作波長でシングルモードである。ここに用いたように、シングルモードは、二重クラッド光ファイバが、光の特定の波長の伝搬モードを１つだけサポートすることを意味する。シングルモードファイバは一般に、マルチモードファイバよりも良好な分散特徴（例えば、より低い分散）を有する。ファイバのカットオフ波長は、一般に、二重クラッド光ファイバがシングルモードである動作波長を表し、カットオフ波長よりも大きい動作波長がシングルモードの伝搬に適している。それゆえ、コアファイバカットオフ波長が、ファイバの使用が意図されている動作波長より小さい、例えば、８００，１０６０，１３１０および／または１５５０ｎｍより小さいようにファイバを設計することが望ましい。

内側クラッド１０４は、ｎ₂＜ｎ₁となるような第２の屈折率ｎ₂を有するものとする。内側クラッド１０４は、純粋なシリカガラス（ＳｉＯ₂）、内側クラッドが「アップ・ドープ」された場合など、屈折率を上昇させるドーパント（例えば、ＧｅＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｐ₂Ｏ₅、ＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂、Ｎｂ₂Ｏ₅および／またはＴａ₂Ｏ₅）を１種類以上含むシリカガラス、または内側クラッドが「ダウン・ドープ(down-doped)」された場合など、フッ素またはホウ素などの、屈折率を低下させるドーパントを含むシリカガラスからなっていてもよい。ある実施の形態において、内側クラッドは純粋なシリカガラスである。別の実施の形態において、内側クラッドは、約５．５質量％から約２７質量％、より好ましくは５．５質量％から約１５質量％、最も好ましくは５．５質量％から約１０質量％の量でＧｅＯ₂がドープされたシリカガラスからなっていてもよい。さらに別の実施の形態において、内側クラッドは、約１質量％から約１５質量％、より好ましくは１質量％から約１０質量％、最も好ましくは約１質量％から約５質量％の量でＡｌ₂Ｏ₃がドープされたシリカガラスからなっていてもよい。コアに添加されるドーパントは、内側クラッドに添加されるドーパントと同じである必要はないことが理解されよう。例えば、内側クラッドがＧｅＯ₂がドープされたシリカガラスからなっていてよく、一方で、コアはＡｌ₂Ｏ₃がドープされたシリカガラスからなっていてもよい。しかしながら、コアにＧｅＯ₂と共にＡｌ₂Ｏ₃が使用され、動作（すなわち、信号）波長が８５０ｎｍより大きい場合、これらの波長（すなわち、＞８５０ｎｍ）で、コアにおける光散乱を最小にするために、コアに２質量％未満のＡｌ₂Ｏ₃を使用することが好ましく、１質量％未満のＡｌ₂Ｏ₃がより好ましく、０．５質量％未満のＡｌ₂Ｏ₃がさらにより好ましい。

内側クラッド１０４の厚さ（例えば、ｒ₂−ｒ₁）は、約２５μｍより大きく、より好ましくは約３０μｍより大きい、最も好ましくは約４０μｍより大きくてよい。内側クラッド１０４の外側クラッド１０６に対する相対屈折率パーセント（Δ％）（例えば、Δ₂％）は約１．５％より大きく、これは少なくとも０．２５の開口数に相当する。内側クラッドの開口数は、内側クラッドが光信号を受け取るまたは発する角度の範囲を特徴付け、内側クラッドと外側クラッド両方の屈折率の間の数学的関係に依存する。ある実施の形態によれば、「内側クラッドの開口数」は、関係式：

を使用して計算でき、ここで、ｎ₂は内側クラッドの屈折率であり、ｎ₃は外側クラッド（ここにさらに論じる）の屈折率である。例えば、表２Ａおよび２Ｂに示されたファイバの実施例について、内側クラッドの開口数を、先に定義された数学的関係を用いて理論的に決定した。しかしながら、表１に示されたファイバの実施例の内側クラッドの開口数は、ここにさらに論じる装置および技法を使用して実験的に決定した。内側クラッド１０４および外側クラッド１０６の相対的な組成は、それらの屈折率差により、所望の開口数を有する内側クラッド１０４が生成されるように選択してよい。内側クラッド１０４の開口数は、内側クラッドが光信号を受け取るまたは発する角度の範囲を最大にするために、約０．２５より大きく、より好ましくは約０．３より大きく、最も好ましくは約０．３５より大きい。内側クラッドの屈折率プロファイルは、図１Ｂに示されるようなステップ型プロファイル、丸まったステップ型プロファイル、または勾配プロファイルであってよい。

外側クラッド１０６の厚さ（例えば、ｒ₃−ｒ₂）は、約１０μｍから約５０μｍ、より好ましくは約１２．５μｍから約３０μｍ、最も好ましくは約１５μｍから約２０μｍであってよい。外側クラッドは、一般に、ｎ₃＜ｎ₂＜ｎ₁となるような第３の屈折率ｎ₃を有するものとする。先に述べたように、内側クラッド１０４および外側クラッド１０６の材料組成は、それらの屈折率差により、内側クラッド１０４の所望の開口数が得られるように選択してよい。約０．２５より大きい所望の開口数を有する内側クラッドを形成するために、外側クラッドの屈折率ｎ₃と内側クラッドの屈折率ｎ₂との間の差によって、内側クラッド１０４に所望の開口数が得られるように、外側クラッド１０６は内側クラッド１０４に対してダウン・ドープされていてよい。あるいは、内側クラッド１０４が外側クラッド１０６に対してアップ・ドープされていてもよく、または内側クラッド１０４が外側クラッド１０６に対してアップ・ドープされ、外側クラッド１０６が内側クラッド１０４に対してダウン・ドープされていてもよい。

ある実施の形態において、外側クラッド１０６は、内側クラッド１０４の屈折率ｎ₂に対して外側クラッド１０６の屈折率ｎ₃を低下させる、フッ素、ホウ素またはそれらの組合せなどのドーパントを１種類以上含むシリカガラスからなっていてよい（例えば、外側クラッド１０６が「ダウン・ドープ」されている）。ある実施の形態において、内側クラッド１０４の外側クラッド１０６に対する相対屈折率パーセント（Δ％）（例えば、Δ₂％）が約１．５％より大きくなるように、外側クラッド１０６は、約５質量％未満のＦおよびＢ₂Ｏ₃の形態にある約１０質量％未満のＢを含む、より好ましくは約２．５質量％未満のＦおよびＢ₂Ｏ₃の形態にある約５質量％未満のＢを含む、最も好ましくは約２質量％のＦおよびＢ₂Ｏ₃の形態にある約５質量％未満のＢを含むシリカガラスからなる。内側クラッド１０４が純粋なシリカガラスからなり、外側クラッド１０６が、約２質量％のＦおよび約５質量％のＢを含むシリカガラスからなる場合、内側クラッドの開口数は約０．３０であろう。別の実施の形態において、内側クラッド１０４が、内側クラッドの屈折率を上昇させるドーパント（例えば、ＧｅＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃など）を含有し、外側クラッド１０６が、約２質量％のＦおよび約５質量％のＢを含むシリカガラスからなる場合、内側クラッドの開口数は約０．３０より大きいであろう。

あるいは、外側クラッド１０６の屈折率ｎ₃は、外側クラッドが、外側クラッドが空隙を含有している二重クラッド光ファイバ２００，３００の２つの実施の形態を示している図２および３に示されるような、空隙の分布を有するように外側クラッドを形成することによって低下されていてもよい。これらの空隙は、空隙の屈折率が外側クラッドの屈折率よりも小さいように空気および／または固結ガス(consolidation gas)を含んでいてよい。したがって、外側クラッド内に空隙を含ませることによって、内側クラッドに対して外側クラッドの屈折率ｎ₃を減少させてもよい。

空隙含有外側クラッド２０６を備えた二重クラッド光ファイバ２００の断面が図２に示されている。空隙含有外側クラッド２０６は、外側クラッドの全体に渡って分布した複数の空隙２０８を含む。ある実施の形態において、空隙は、二重クラッド光ファイバ２００がそれから線引きされる光ファイバプリフォームの製造中に、外側クラッドの材料が堆積され、固結されたときに外側クラッド中に形成された別個の閉じた空隙を含んでよい。これらの閉じた空隙は、固結工程中に空隙内に捕捉された固結ガスを含んでもよい。図示された実施の形態において、空隙２０８は小さくてもよく、例えば、空隙は、二重クラッド光ファイバ２００の内側クラッド１０４に沿って伝搬される光の波長よりも小さい直径を有してもよい。例えば、空隙２０８は、約５００ｎｍ未満、より好ましくは約３００ｎｍ未満、最も好ましくは２００ｎｍの直径を有してよい。図２に示されるように、空隙は、外側クラッドが異なる断面積を有する空隙の分布を含むように、外側クラッド２０６の全体に亘り無作為なサイズ分布を有してもよい。外側クラッド内の空隙が、ここに定義されるように小さい空隙である場合、空隙の領域の空隙面積パーセントは、約１０％より大きく、より好ましくは約２０％より大きく、最も好ましくは２５％より大きくてもよい。空隙の領域の空隙面積パーセントは６０％未満であることが好ましいであろう。ここに用いたように、領域空隙面積パーセントは、空隙を含む領域の総面積（光ファイバを、光ファイバの軸に対して垂直にとられた断面で見た場合）で割った空隙を含む領域（例えば、外側クラッド）内の空隙の総面積を１００倍した値を意味する。図２に示された特定の実施の形態において、外側クラッド２０６の領域空隙面積パーセントは約２５％である。

いくつかの実施の形態において、外側クラッド内に含まれる空隙は、非周期的に配置されても、周期的に配置されても、もしくはその両方であってもよい。「非周期的に配置」または「非周期的な分布」とは、光ファイバの特定の断面（縦軸に対して垂直な断面などの）について、非周期的に配置された空隙は、外側クラッドに亘り無作為にまたは非周期的に分布していることを意味する。ファイバの長手方向に沿った異なる地点でとられた同様の断面が、異なる断面の孔パターンを表す、すなわち、様々な断面は異なる孔パターンを有し、空隙の分布および空隙のサイズは一致しない。これらの空隙は、光ファイバの長手方向に沿って（すなわち、縦軸に対して平行に）引き伸ばされ（細長くなっ）ているが、伝送ファイバの典型的な長さに関して、ファイバの全長に亘って延在していない。理論により拘束することを意図するものではないが、空隙はファイバの長手方向に沿って、数メートル未満しか、多くの場合には、１メートル未満しか延在しないと考えられる。ここに開示した二重クラッド光ファイバは、固結されたガラスブランク内に捕捉された多量のガスを生じ、それによって、固結されたガラス製の光ファイバプリフォーム内に空隙を形成するのに効果的なプリフォーム固結条件を使用する方法によって製造することができる。これらの空隙を除去する工程をとるよりむしろ、これにより得られたプリフォームを使用して、その中に空隙を有する光ファイバを形成する。ここに用いたように、空隙の直径は、光ファイバをファイバの縦軸を横切る垂直断面で見たときに、空隙を画成するシリカ内部表面上に端点が配置された最長の線分である。

図２に示された実施の形態において、二重クラッド光ファイバ２００の内側クラッド１０４およびコア１０２は、図１Ａに示した二重クラッド光ファイバ１００に関した先に記載されたようなものであってよい。純粋なシリカガラスからなる内側クラッドおよび約２５％の空気の領域空隙面積パーセントを有する空隙含有外側クラッドを備えた二重クラッド光ファイバにより、約０．６８の開口数を有する内側クラッドが生じるであろう。

図２に示された空隙２０８は、無作為なサイズ分布を有する、非周期的に分布した閉じた空隙としてここに記載されているが、空隙２０８は、外側クラッドの全体に渡り周期的に分布されていてもよく、また空隙は略均一なサイズのものであってよいことも理解すべきである。さらに、空隙は開いていてもよく、その結果、ここにより詳しく記載するように、空気を含有するであろう。

ここで図３を参照すると、空隙含有外側クラッド３０６を備えた二重クラッド光ファイバ３００の別の実施の形態が示されている。この実施の形態において、空隙３０８は大きく、例えば、空隙３０８は、二重クラッド光ファイバ３００の内側クラッド１０４に沿って伝搬する光の波長よりも大きい寸法を有する。例えば、この実施の形態において、大きい空隙３０８は、一般に、１μｍより大きい、より好ましくは約５μｍより大きい、最も好ましくは約１０μｍより大きい直径を有してよい。空隙３０８がここに定義したように大きい場合、領域空隙面積パーセントは約８０％より大きく、より好ましくは約９０％より大きく、最も好ましくは約９５％より大きくてよい。空隙３０８がここに定義したように大きい場合、領域空隙面積パーセントは約９８％未満であることが好ましい。図示された実施例において、外側クラッド３０６の領域空隙面積％は約９０％であり、これにより、外側クラッドの全体の屈折率が減少する。外側クラッドの領域空隙面積％が約９０％の空気であり、内側クラッドが純粋なシリカガラスからなる場合、内側クラッドは約１の開口数を有するであろう。

図３に示された実施の形態において、空隙３０８は、外側クラッドの断面の全体に渡り周期的に分布しているであろう。空隙３０８は、概して、同じ直径を有していてもよい。空隙３０８は、開いていてもよく、その結果、空気を含有するであろう。空隙３０８は、二重クラッド光ファイバがそこから線引きされる光ファイバプリフォームの外側クラッド領域にドリルで孔開けすることによって形成してもよい。あるいは、大きな空隙３０８は、光ファイバプリフォームを形成する「スタック・アンド・ドロー(stack and draw)」法を使用して形成してもよい。ドリルによる孔開けおよびスタック・アンド・ドロー法を用いて、小さな空隙（例えば、図２に関して記載したような）または大きな空隙（例えば、図３に関して記載したような）のいずれを作製してもよい。しかしながら、外側クラッドに開いた空隙を形成するための他の技法を使用してもよいことを理解すべきである。

ある実施の形態において、図１〜３の二重クラッド光ファイバは、外付け気相成長（ＯＶＤ）法によって製造してもよい。このＯＶＤ法は、ＣＨ₄＋Ｏ₂火炎中の加水分解プロセスによって特定の気相成分（シリカおよび他のドーパント前駆体を含む）からの反応により、シリカガラスおよび／またはシリカガラスとドーパントのスート粒子を形成し、次いで、これを心棒（コア・スートプリフォームを製造するための）またはガラスコアケインまたはロッド（オーバークラッド・スートプリフォームを製造するための）のいずれかの上に熱泳動手段によって収集することによって、光ファイバを製造する方法である。このスートプリフォームはその後乾燥させ、高温炉内で中実ガラスに緻密化する（心棒をコアプリフォームから取り除いた後に）。これは固結として一般に称されるプロセスである。所望のコアおよびクラッドの組成は、スートプリフォームの製造プロセスにおいて、各層について異なる量の様々な気相成分を使用することによって形成される。要約すると、コアおよび／またはクラッドプリフォームを最初に生成し、次いで、固結し、最終的な（固結された）プリフォームを、公知のファイバ線引き法によって光ファイバに線引きする。

より詳しくは、二重クラッド光ファイバのコアに関するスートプリフォームの部分を製造するために使用できる気相前駆体材料には、例えば、ＳｉＣｌ₄、ＧｅＣｌ₄、ＡｌＣｌ₃、ＴｉＣｌ₄、またはＰＯＣｌ₃がある。いくつかの実施の形態において、コアプリフォームは、純粋なシリカガラスまたはＧｅＯ₂がドープされたシリカガラスからなる。スートがコアプリフォームに固結された後、ＯＶＤ法を使用して、固結されたコアプリフォーム上にＳｉＯ₂スートを堆積させて、二重クラッド光ファイバの内側クラッドのスートプリフォームを形成する。上述したように、内側クラッドは、内側クラッドの屈折率を上昇または低下させるドーパントを含有してもよい。そのようなドーパントをＳｉＯ₂スートと共に堆積させてもよい。例えば、内側クラッドをＧｅＯ₂でアップドープする場合、ＧｅＯ₂をＳｉＯ₂スートと共に堆積させてもよい。内側クラッドのスートプリフォームをコアプリフォーム上に堆積させた後、内側クラッド・スートプリフォームを固結させて、コアプリフォームの周りに緻密なシリカガラスの層を形成してよい。いくつかの実施の形態において、コアプリフォームは、アップドーパントを含まない純粋なシリカガラスからなる（内側クラッドはＳｉＯ₂に対してダウンドープされている）。

内側クラッドのスートプリフォームを堆積させた後、外側クラッドのスートプリフォームをコアプリフォーム上に堆積させてもよい。ある実施の形態において、上述したように、外側クラッドは、フッ素およびＢ₂Ｏ₃の形態にあるホウ素によりダウンドープされたシリカガラスらなる。したがって、ダウンドープされたシリカガラス層を堆積させるために、ＳｉＯ₂またはＢ₂Ｏ₃でダウンドープされたＳｉＯ₂を内側クラッドの固結されたスートプリフォーム上に堆積させて、外側クラッドのスートプリフォームを形成してもよい。Ｆ、例えば、ＳｉＦ₄を含有するガスを固結プロセスに使用して、そのプリフォームのクラッド部分の屈折率を低下させてもよい。上述したように、Ｂおよび／またはＦを含有する固結ガラスは、純粋なシリカよりも低い屈折率を有する。

ホウ素／フッ素同時添加を使用する場合、シリカガラス中のホウ素／フッ素同時添加は二工程で行ってよい：（ｉ）スート堆積中のホウ素添加、その後の（ｉｉ）固結中のシリカ焼結添加。

例えば、ホウ素がドープされたＳｉＯ₂外側クラッドの堆積は、供給材料としてＢＣｌ₃およびＳｉＣｌ₄またはＢ−およびＳｉ−含有有機金属前駆体を使用して、純粋なシリカまたはＧｅＯ₂ドープトシリカのコアロッドを取り囲むアップまたはダウンドープされたシリカ内側クラッドに行ってもよい。配設(laydown)中のホウ素の捕捉効率は、ＯＶＤバーナの火炎の温度が減少するにつれて増加することに留意されたい。配設工程中の好ましい温度範囲は、１０質量％から１２質量％のスートの目標の酸化ホウ素含有量、およびその後の固結工程でのより容易なＦ焼結ドーピングに適したスート密度（例えば、０．６ｇ／ｃｍ³未満、より好ましくは０．５ｇ／ｃｍ³未満、さらにより好ましくは０．４ｇ／ｃｍ³未満）について、約１４００℃から１６００℃である。そのようなホウ素がドープされたスートから作られたプリフォームは、通常、それぞれ、より低い温度での加水分解プロセスおよびスート組成物のより高い熱膨張係数のために、高いＯＨ含有量および高い応力レベルを有する。このスートプリフォームに亀裂が生じる見込みを防ぐために、固結時のＦ焼結ドーピングの前に、スートプリフォームに熱安定化工程を行うことが好ましい。スートプリフォームは、約８時間に亘り乾燥不活性ガス雰囲気下で、１００℃から５００℃、例えば、３００℃の均熱炉内において熱安定化されることが好ましい。この点に関して、熱安定化は３から２４時間（例えば、１０，１２，１６または１８時間）であり、より大きなサイズのスートプリフォームには、より長い熱安定化が必要となる。

次いで、この例示の実施の形態によるスートプリフォームを、Ｆ化合物と共に、例えば、ＳｉＦ₄またはＣＦ₄と共に炉内で固結させる。本発明の実施の形態によれば、ホウ素含有スートプリフォーム中へのフッ素（Ｆ）焼結ドーピングは、単一ゾーン固結プロセスである。この固結プロセス全部は、低温炉の乾燥ゾーン領域内で行われ、これは通常、標準的な固結炉の上部に位置する。固結は、Ｂ／Ｆ同時添加シリカのかなり低いガラス転移温度（Ｔｇ）（約８００℃またはそれ未満）のために、比較的低温で行われる。例示のシリカスートプリフォーム（１０質量％のＢがドープされている）を最初に、４５〜６０分間に亘り約８５０℃〜９００℃でＣｌ₂乾燥させる。次いで、乾燥ゾーン温度を、ＳｉＦ₄と共に、９０から１５０分間に亘り焼結／Ｆドーピングのために１２００℃まで上昇させる。焼成およびＦドーピング中、固結されたガラス中のホウ素濃度は、スート相中の１０質量％から、完全に固結されたガラス相中の４〜８質量％までなどのように、著しく低下する。そのような減少は、フッ素の存在下でのホウ素のエッチング除去(etch out)により生じる。その結果、ガラス中のホウ素とフッ素の濃度は、それぞれ、４〜８質量％および１．５〜２．５質量％の範囲にあるであろう。固結プロセス後、固結されたプリフォームは冷却され、ファイバの線引きのために持って行かれる。

別の実施の形態において、二重クラッド光ファイバの外側クラッドは、Ｂおよび／またはＦドーパントを含む外側クラッドの代わりに、空隙含有外側クラッドからなってもよい。空隙含有外側クラッド内の空隙は、外側クラッドの屈折率を低下させるであろう。ある実施の形態において、空隙含有外側クラッドを製造するために、内側クラッドの固結されたスートプリフォーム上にＳｉＯ₂スートを堆積させてよい。ＳｉＯ₂スートを堆積させ、固結ガラス中の固結ガスの一部を捕捉し、それによって、二重クラッド光ファイバがそこから線引きされる光ファイバプリフォームの外側クラッド領域に閉じた空隙のアレイを生成するのに効果的な条件下で固結させる。例えば、外側クラッドは、ガス状雰囲気の一部を、空隙が閉じられるときに空隙中に捕捉させる条件下でガス状雰囲気中で固結してもよい。このガス状雰囲気は、窒素またはクリプトンなどの屈折率を低下させるガスを含んでもよい。しかしながら、例えば、窒素、アルゴン、二酸化炭素、酸素、ＣＦ₄、塩素、ＣＯ、Ｃ₂Ｆ₆、ＳＯ₂、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｎｅおよびそれらの混合物などであって、空気ではない、ガラスの屈折率を低下させる他の固結ガスを使用してもよいことが理解されよう。いくつかの実施の形態において、空隙含有外側クラッドを形成するために使用される方法は、２００８年５月５にちに出願された、「MICROSTRUCTURED OPTICAL FIBERS AND METHODS」と題する米国特許出願第１２／１５１，１７０号明細書に開示された方法と似ていてよいが、空隙含有外側クラッドを形成するための他の方法を使用してもよい。

上述したように、内側クラッドの開口数は数学的に計算されるであろう。しかしながら、特定の環境下では、内側クラッドの開口数を実験的に決定することが必要かもしれない。例えば、いくつかの状況において、内側クラッドの屈折率ｎ₂は正確に知られていないかもしれない。そのような状況下では、ここに記載された二重クラッド光ファイバの内側クラッドの開口数は、“Propagation losses of pump light in rectangular double-clad fibers” by Anping Lu and Kenichi Ueda, 3134 Optical Engineering, Vol. 35 No. 11, November 1996というタイトルの論文に記載されたものと類似の角度測定技法を使用して測定してもよい。類似の測定技法を行うための例示の装置が図４に示されている。この装置は、一般に、光源４０６、回転ステージ４０４および光検出器４１２を備えている。光源４０６は、一般に、特定の中心波長を有する広帯域光源からなっていてよい。例えば、異なる中心波長を得るために、異なる広帯域光源を選択してもよい。特に関心のあるものは、二重クラッド光ファイバおよびそれを用いた内視鏡に典型的な動作波長に対応する中心波長を有する光源である。したがって、広帯域光源は、８５０ｎｍ、１０６０ｎｍ、１３１０ｎｍまたは１５５０ｎｍの中心波長を有してよい。

内側クラッドの開口数を測定するために、二重クラッド試験ファイバ４０２の角度方向が光源からの光に対して正確に制御されるように、二重クラッド試験ファイバ４０２を回転ステージ４０４上に配置する。光源４０６の出力は、結合ファイバ４１０およびコリメータレンズ４０８により二重クラッド試験ファイバ４０２の切断端に結合される。具体的に、光源４０６の出力は、二重クラッド試験ファイバ４０２の内側クラッドに連結される。二重クラッド試験ファイバ４０２の内側クラッドに連結された光は、コリメータレンズを通過した後、実質的に平行にされている。二重クラッド試験ファイバ４０２の反対の端部は、二重クラッド試験ファイバ４０２を通って連結された光のパワーが測定されるように光検出器４１２に連結されている。

二重クラッド試験ファイバ４０２は、二重クラッド試験ファイバ４０２の角度方向が光源４０６からの光に対して調節されるように、入力角度θ_iの範囲で回転される。二重クラッド試験ファイバ４０２が回転されるときに、試験ファイバ４０２の内側クラッドを通して連結された光のパワーが、光源４０６からの光の入力角度θ_iの関数として測定される。二重クラッド光ファイバの内側クラッドを通して連結された光の正規化されたパワーの例示のプロットが、角度方向の関数として図５に示されている。二重クラッド試験ファイバの内側クラッドの開口数は、半角（例えば｜θ₁−θ₂｜／２）を使用して光源からの光の特定の波長について計算することができる。この計算を行うために、閾値レベルを設定して、最初にθ₁およびθ₂を決定する。例えば、閾値レベルは、二重クラッド試験ファイバ４０２の内側クラッドを通して連結された光のピークパワーの２．５％に設定してよい。したがって、θ₁および／またはθ₂は、二重クラッド試験ファイバの内側クラッドを通して連結された光のパワーがそのファイバを通して連結されたピークすなわち最大パワーの２．５％となるまで、二重クラッド試験ファイバ４０２を回転させることによって決定してもよい。θ₁およびθ₂は、光源の出力に対する二重クラッド試験ファイバの角度方向から決定される。特定の閾値パワーレベルについて、内側クラッドの開口数は、式：

を使用して計算してよい。この内側クラッドの開口数は、いくつかの異なる波長について計算してよい。しかしながら、一般に、開口数は、光ファイバを通して連結された光の波長にわずかしか依存しない。内側クラッドの開口数を測定するために、図４に示された測定装置を、上述した数式と共に使用してよい。

表１に列記された３種類のファイバの実施例の内側クラッドの開口数は、上述した技法を使用して実験的に決定した。この二重クラッド光ファイバは、ここに記載した外付け気相成長（ＯＶＤ）法を使用して製造した。全３種類の二重クラッド光ファイバのコアは、５．５質量％のＧｅＯ₂がドープされた（希土類ドーパントは含まない）シリカガラスからなり、一方で、内側クラッドは純粋なシリカガラスからなるものであった。これらの例示のファイバの実施の形態において、ファイバのコアは、希土類ドーパントを含有せず、ＡｌもＦも含有しない。外側クラッドは、内側クラッドに対して外側クラッドの屈折率を低下させるために、２質量％のＦおよび５質量％のＢ₂Ｏ₃がドープされたシリカガラスからなるものであった。コアの半径（ｒ₁）、内側クラッドの半径（ｒ₂）および外側クラッドの半径（ｒ₃）は、全３種類の例示のファイバについて列記されている。表１に示された二重クラッド光ファイバの開口数は、２．５％の強度閾値で、０．２５より大きいと測定された。全３種類の例示の二重クラッド光ファイバの測定されたコアファイバカットオフ波長は８００ｎｍ未満であり、コアのモードフィールド径（ＭＦＤ）は、８００ｎｍで４．７から５．７であった。クラッドに対するコアの相対屈折率パーセント（Δ％）（例えば、Δ₁％）は、０．３６％であると決定された。

表２Ａおよび２Ｂは、例示の二重クラッド光ファイバの組成および対応する光学的性質を示している。例示の各組成は、全てがシリカ系ガラスからなる、コア、内側クラッドおよび外側クラッドを有する光ファイバに基づくものである。表２Ａおよび２Ｂのファイバの実施例に示されるように、ファイバのコアはＡｌを含まないことが好ましく、したがって、表２Ａの例示のファイバは、１０６０ｎｍから１７００ｎｍの動作波長範囲で１ｄＢ／ｋｍ未満の低い減衰および非常に低い散乱損失を示すことに留意されたい（類似の屈折率プロファイルを有するが、Ｙｂ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃およびＧｅＯ₂がコア中に存在する比較例のファイバにおいて、減衰は、１１２０ｎｍ〜１７００ｎｍの波長範囲において２０ｄＢ／ｋｍより大きく、１１００ｎｍ未満の波長では１００ｄＢ／ｋｍより大きかった）。

ファイバ１のシリカガラス系コアは、２．５μｍの半径を有し、コアの屈折率を上昇させるために５．５質量％のＧｅＯ₂を含んでいる。コアは、二重クラッド光ファイバのコアが８００ｎｍの動作波長でシングルモードであるように７７９ｎｍの理論カットオフ波長を有する。内側クラッドは純粋なシリカであり、コアの内側クラッドに対する相対屈折率パーセント（Δ％）（例えば、Δ₁％）は０．３４％である。外側クラッドは、外側クラッドの屈折率を低下させるために、２％のＦおよび５％のＢ₂Ｏ₃がドープされたシリカガラスからなる。内側クラッドの外側クラッドに対する相対屈折率パーセント（Δ％）（例えば、Δ₂％）は２．１％であり、これは、０．３の開口数を有する内側クラッドに相当する。外側クラッドは、二重クラッド光ファイバが標準的な１２５μｍの直径の光ファイバであるように、６２．５μｍの外半径ｒ₃を有する。

内側クラッドの開口数は、外側クラッドに対して内側クラッドの屈折率（ｎ₂）を増加させることによって増加させてもよい。例えば、ファイバ２において、内側クラッドは２７．０質量％のＧｅＯ₂がドープされ、それによって、内側クラッドの屈折率を上昇させている。外側クラッドは、ファイバ１におけるように、同じ質量％のＦおよびＢ₂Ｏ₃がドープされている。内側クラッドの増加した屈折率（ｎ₂）の結果として、内側クラッドの外側クラッドに対する相対屈折率パーセント（Δ₂％）は、約３％より大きく、詳しくは３．７６％に増加し、内側クラッドの開口数は０．４に増加する。この実施例において、コアは追加のＧｅＯ₂がドープされて、ファイバ１におけるようにΔ₁％を０．３４％に維持している。

あるいは、内側クラッドが、内側クラッドの屈折率を上昇させる他のドーパントを含んでもよい。例えば、ファイバ３において、内側クラッドは１４．１％のＡｌ₂Ｏ₃を含み、これには、内側クラッドの屈折率（ｎ₂）を上昇させ、内側クラッドの外側クラッドに対する相対屈折率パーセント（Δ₂％）を約３％より大きく、詳しくは３．１％に上昇させ、内側クラッドの開口数を０．３６に上昇させる効果がある。ファイバ２に関するように、コアは、Δ₁％を０．３４％に維持するのに十分なＧｅＯ₂がドープされている。

ファイバ１〜３における例示の組成は、外側クラッドの半径（ｒ₃）が６２．５μｍである二重クラッド光ファイバに関する。しかしながら、ある用途について、ファイバの集光効率をさらに改善するために、より大きいな直径のファイバが必要とされるかもしれない。したがって、ファイバ４において、ファイバ１の二重クラッド光ファイバの組成物の寸法を、２５０μｍの外径を有する光ファイバを生成するために拡大してもよい。ファイバ４の直径がより大きい二重クラッド光ファイバの組成物の開口数および他の性質は、ファイバ１の二重クラッド光ファイバの組成物のものと同じである。

ファイバ１〜４の例示の組成において、二重クラッド光ファイバのコアは、０．１２の開口数および５．５μｍのモードフィールド径（ＭＦＤ）を有する。しかしながら、ある用途について、より高い開口数およびより小さいＭＦＤを有するコアが望ましいかもしれない。このことは、ドーピングによりコアの屈折率を増加させることによって行ってもよい。ファイバ５において、コアに、８．１質量％のＧｅＯ₂がドープされている（ファイバ１の５．５質量％のＧｅＯ₂と比較して）。ファイバ１と比べると、ファイバ５における追加のＧｅＯ₂は、ファイバのΔ₁％を０．５０まで増加させ、コアの開口数を０．１５まで増加させ、一方で、ＭＦＤを４．５μｍまで減少させる。

表２Ａの例示の組成において、二重クラッド光ファイバは８００ｎｍの動作波長のために設計されている。しかしながら、表２Ａに示されるように、８００ｎｍでの二重クラッド光ファイバのコアの分散は、８００ｎｍで約−１２０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍである。コアの分散を減少させるために、異なる動作波長を使用してもよい。そのような動作波長は、一般に、内視鏡に通常使用される他の動作波長に対応するであろう。例えば、非線形光学内視鏡は、８００から１５５０ｎｍの範囲にある動作波長を有するであろう。図２Ｂに示されたファイバ６〜１０における二重クラッド光ファイバは、８００ｎｍ以外の動作波長、特に、１０６０ｎｍ、１３１０ｎｍおよび１５５０ｎｍの動作波長のために設計されている。

例えば、ファイバ６は、１０６０ｎｍの動作波長のために設計されている。このことは、コアの半径を３．２２μｍに増加させることによって行われる。その結果、コアのカットオフ波長は、二重クラッド光ファイバが１０６０ｎｍでシングルモードであるように１０２１ｎｍである。ファイバ６の二重クラッド光ファイバは７．２８のＭＦＤを有し、これは、８００ｎｍで動作するように設計されたファイバのＭＦＤよりも大きい。二重クラッド光ファイバをより大きい波長で動作するように設計することの特別な利点の１つは、光ファイバのコアの減少した色分散である。例えば、８００ｎｍで動作するように設計された表２Ａのファイバは、８００ｎｍで約−１２０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの色分散を有するコアを備えている。しかしながら、１０６０ｎｍで動作するように設計されたファイバ６は、−３４．９ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの色分散を有するコアを備え、８００ｎｍで動作するように設計された表２Ａの対応する二重クラッド光ファイバよりも、約８５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍだけ改善されている。

実際に、ほぼゼロ分散のコアは、ファイバ７について示されているように、ファイバを１３１０ｎｍで動作するように設計することによって得てもよい。このことは、コアの半径ｒ₁を増加させることによって行ってもよい。例えば、コアの半径を増加させて、コア分散の絶対値が、約１３１０ｎｍの動作波長で、約１０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ未満、より好ましくは約５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ未満、最も好ましくは約２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ未満である、二重クラッド光ファイバを形成してもよい。コアの半径を４．０１μｍまで増加させた場合、コアのカットオフ波長は１２９５ｎｍとなり、二重クラッド光ファイバは１３１０ｎｍでシングルモードになる。この実施の形態に関して、二重クラッド光ファイバのコアの色分散は、−０．０３ｐｓ／ｎｍ／ｋｍまで減少する。

別の実施例において、Δ₁％を増加させ、コアの半径ｒ₁を減少させることによって、１５５０ｎｍの動作波長でほぼゼロ分散を有する二重クラッド光ファイバを設計してもよい。Δ₁％を増加させ、コアの半径を減少させると、コア分散の絶対値が、約１５５０ｎｍの動作波長で約１０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ未満、より好ましくは約５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ未満、最も好ましくは約２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ未満となる二重クラッド光ファイバが生成されるであろう。例えば、ファイバ８において、コアに１９．５質量％のＧｅＯ₂をドープすることによって、コアの屈折率を増加させることにより、Δ₁％が増加させられる。純粋なシリカからなる内側クラッドについて、Δ₁％は１．２％になる。このコアの半径ｒ₁も、コアのカットオフ波長が１２４０ｎｍとなるように、２．２８μｍまで減少されている。それゆえ、二重クラッド光ファイバは、１２４０ｎｍより大きい任意の波長についてシングルモードである。１５５０ｎｍの動作波長について、ファイバ８の分散は約−０．０４ｐｓ／ｎｍ／ｋｍである。

先に論じたように、内側クラッドの開口数を増加させるための代わりの方法の１つは、外側クラッドの全体に渡り空隙が分布した空隙含有外側クラッドを形成することによって、外側クラッドの屈折率を減少させることである。ファイバ９および１０は、空隙を含む、空隙含有外側クラッドを有する二重クラッド光ファイバの２つの例示の組成物である。

ファイバ９は、外側クラッドの領域空隙面積が約２５％となるように、捕捉されたガスを含有する、小さな閉じた空隙の分布を含む空隙含有外側クラッドを有する。これにより、外側クラッドの屈折率が減少し、その結果として、内側クラッドの外側クラッドに対する相対屈折率パーセント（Δ₂％）が１１．７％まで増加し、内側クラッドの開口数が０．６８まで増加する。さらに、ファイバは、１３１０ｎｍの波長で動作するように設計されている（例えば、ファイバのコアは、実施例７と同じ、４．０１の半径ｒ₁を有する）。それゆえ、二重クラッド光ファイバは、動作波長でほぼゼロの分散も有する。

ファイバ１０において、空隙含有外側クラッドは、外側クラッドの領域空隙面積が約９０％の空気を含むように、空気を含有する、大きな開いた空隙の分布を含む。これにより、外側クラッドの屈折率が減少し、その結果として、内側クラッドの外側クラッドに対する相対屈折率パーセント（Δ₂％）が３０％まで増加し、内側クラッドの開口数が１．０まで増加する。ファイバ９に関するように、ファイバは、二重クラッド光ファイバが動作波長でほぼゼロの分散を有するように、１３１０ｎｍの波長で動作するように設計されている。

表２Ａおよび２Ｂの例示のファイバはＧｅＯ₂ドープトコアを有する。しかしながら、他のドーパントをコアに使用しても差し支えない。例えば、表２Ｃのファイバ１１は、４．２％のＡｌ₂Ｏ₃がドープされ、他のドーパントは含まない（すなわち、ＧｅＯ₂を含まない）シリカ系コアを有する。例示のファイバ１１は、３００〜５００ｎｍの波長範囲において信号を検出するように利用できる（二光子吸収のために）。何故ならば、Ａｌ₂Ｏ₃ドープトコアは、この波長範囲（３００〜５００ｎｍ）における吸収および蛍光が少ないからである。しかしながら、コア中の振る皆は、線形と非線形の蛍光を（純粋なシリカコアに対して）増加させる傾向にあり、それゆえ、内視鏡用途についてバックグラウンドノイズを増加させてしまう。純粋なシリカコアを有するファイバが、バックグラウンドノイズをさらに減少させるために魅力的である。表２Ｃの例示のファイバ１２は純粋なシリカコアを有し、それゆえ、このファイバは、例示のファイバ１１よりも小さいバックグラウンドノイズを有する。例示のファイバ１２において、内側クラッドには、屈折率を低下させるためにＦがドープされて、コアに導波路を形成しており、外側クラッドは、外側クラッドが内側クラッドより低い屈折率デルタを有するようにＢとＦの両方を含有している。２つの例示のファイバ（１１および１２）は、８００ｎｍの動作波長のために設計されており、シリカ系コアを有する。ファイバ１１は、８００ｎｍの波長で５ｄＢ未満の減衰を有する。ファイバ１２は、８００ｎｍの波長で３ｄＢ未満の、１０６０ｎｍで１ｄＢ未満の減衰を有する。しかしながら、同様の手法を用いて、他の動作波長を有するファイバを設計しても差し支えない。

ここで、図６を参照すると、非線形光学内視鏡５００が示されている。図示され、ここに記載された二重クラッド光ファイバの内側クラッドの比較的大きい開口数により、特に、内視鏡が、標的材料から画像またはスペクトルを生成するために二光子または多光子蛍光プロセスを使用する場合、そのようなファイバをそのような非線形光学内視鏡と共に使用するのに特に適したものとなる。非線形光学内視鏡５００は、一般に、光源５０８（例えば、レーザ）と、ここに記載したようなコア５０４、内側クラッド５０６および外側クラッドを有する二重クラッド光ファイバ５０２と、ビーム走査装置５１２と、光検出器５１４とを備えている。

光源５０８は、ショートパルスレーザ光源などのレーザ光源を含んでよい。光源５０８からの出力は、二重クラッド光ファイバの第１の端部で光学成分５１０により二重クラッド光ファイバ５０２のコアに結合されてよい。光学成分としては、レンズ、コリメータレンズ、ミラーなどが挙げられるであろう。二重クラッド光ファイバは光結合器５３５を通り、これが、ここにさらに記載するように、二重クラッド光ファイバ５０２の内側クラッドを光検出器５１４に光学的に結合する。ビーム走査装置５１２は、二重クラッド光ファイバ５０２の第２の端部で二重クラッド光ファイバ５０２に結合されてもよい。

ビーム走査装置５１２は、光源５０８の出力が標的５２２に亘り走査されるように、二重クラッド光ファイバ５０２を二次元に位置決めするように動作可能であってよい。ある実施の形態において、ビーム走査装置５１２は圧電アクチュエータを備え、これは、二重クラッド光ファイバ５０２を二次元に位置決めし、それによって、標的５２２に亘り光源５０８の出力の所望の走査パターンを成し遂げるように動作可能である。非線形光学内視鏡５００は、二重クラッド光ファイバ５０２から出る光源の出力が、レンズを通り、標的５２２に焦点が合うように、ビーム走査装置５１２内に配置された１つ以上のレンズ（図示せず）を備えてもよい。このレンズは、標的から発せられた光を二重クラッド光ファイバ５０２の内側クラッド５０６に集束させるように働くであろう。ある実施の形態において、二重クラッド光ファイバ５０２を出る光源の出力を集束させるためのレンズは、ビーム走査装置５１２と標的５２２との間に配置されてもよい。

光検出器５１４は、内側クラッドに沿って伝搬される光信号、特に、標的から発せられ、内側クラッド５０６に集光される光信号が光検出器により受け取られるように、光結合器５３５を通じて二重クラッド光ファイバの内側クラッドに光学的に結合されてよい。伝送ファイバ５３０は、光結合器５３５を光検出器５１４に接続する。より詳しくは、光結合器５３５は、二重クラッド光ファイバ５０２の内側クラッドを伝搬する光を伝送ファイバ５３０に結合し、これが光を光検出器に伝送する。ある実施の形態において、光検出器は、内側クラッドに沿って伝搬する光信号に応答し、対応する電気出力信号を生成して、受信した出力信号に基づいて画像を形成するかまたはそうでなければ光検出器から受信した出力信号を分析するようにプログラムされたコンピュータ５１６に伝送する。別の実施の形態において、光検出器５１４は、内側クラッド５０６に沿って伝搬する光信号に由来する分光情報を示す出力信号を生成する分光計および／またはイメージング装置を備えてもよい。いずれの実施の形態においても、光検出器の出力は、標的の特徴を決定するため、例えば、標的から発せられた光に基づいて標的の画像を生成するため、または蛍光プロセスの結果として、標的から発せられた異なる波長の強度を示す分光写真を生成するために、使用してもよい。

動作において、非線形光学内視鏡の光源５０８（例えば、レーザ）は光パルスを生成し、これが、光学成分５１０を使用して二重クラッド光ファイバ５０２のコア５０４に結合される。この光パルスは、二重クラッド光ファイバ５０２に沿って伝搬し、ビーム走査装置５１２の近縁の二重クラッド光ファイバの第２の端部から出る。二重クラッド光ファイバから出る光パルスが標的５２２に沿って走査されるように、二重クラッド光ファイバ５０２を位置決めするために、ビーム走査装置５１２を使用してよい。光パルスが二重クラッド光ファイバを出て、標的に入射するときに、その標的は蛍光を発し、光信号５２０を放出であろう。標的５２２によって発せられた光信号５２０は、二重クラッド光ファイバ、特に、二重クラッド光ファイバ５０２の内側クラッドに戻されて集光される。内側クラッドの大きい開口数（例えば、ＮＡ＞０．２５）のために、二重クラッド光ファイバは、大きい広がり角を有する光信号５２０を集光し、それゆえ、二重クラッド光ファイバの光信号集光効率を改善することができる。

標的により発せられた光信号５２０が内側クラッドに集光された後、この光信号は、二重クラッド光ファイバ５０２に沿って内側クラッド内を戻るように伝搬され、伝送ファイバ５３０を備えた光結合器５３５によって光検出器５１４に方向が転換される。この光検出器５１４は光信号５２０を電気信号に変換し、この電気信号は、標的をさらに分析および／またはイメージングするために使用されるであろう。

今では、図示され、ここに記載された二重クラッド光ファイバの様々な実施の形態および組成により、開口数が約０．２５より大きい二重クラッド光ファイバが生成されることが理解されよう。さらに、図示され、ここに記載された二重クラッド光ファイバの特定の実施の形態および組成により、開口数が約０．２５より大きいことに加え、色分散が低い二重クラッド光ファイバが生成されるであろう。

図示され、ここに記載された二重クラッド光ファイバの特定の光学的性質、特に、二重クラッド光ファイバの大きな開口数により、この二重クラッド光ファイバが、光学内視鏡、特に、標的をイメージングおよび／または分析するために二光子または多光子プロセスを利用する非線形光学内視鏡に組み込むのに適したものとなる。特に、図示され、ここに記載された二重クラッド光ファイバを使用すると、非線形光学内視鏡の光信号集光効率が改善され、その結果として、非線形光学内視鏡によって生成される画像の品質、並びに、非線形光学内視鏡によって集光される光信号から派生したデータの品質が改善されるであろう。

本発明の精神および範囲から逸脱せずに、本発明の様々な改変および変更が行えることが当業者には理解されよう。それゆえ、本発明は、本発明の改変および変更を、それらが添付の特許請求の範囲およびその同等物に含まれるという条件で、包含することが意図されている。

１００，２００，３００，５０２ 二重クラッド光ファイバ
１０２ コア
１０４ 内側クラッド
１０６，２０６，３０６ 外側クラッド
２０８，３０８ 空隙
４０２ 二重クラッド試験ファイバ
４０４ 回転ステージ
４０６，５０８ 光源
４０８ コリメータレンズ
４１０ 結合ファイバ
４１２，５１４ 光検出器
５００ 非線形光学内視鏡
５１０ 光学成分
５１２ ビーム走査装置
５１６ コンピュータ
５２０ 光信号
５２２ 標的
５３０ 伝送ファイバ
５３５ 光結合器

Claims (17)

1. コア、内側クラッドおよび外側クラッドを備えた二重クラッド光ファイバであって、
   前記コアが、約５μｍ未満の半径および第１の屈折率ｎ₁を有し、活性希土類ドーパントを全く含有せず、
   前記内側クラッドが、前記コアを取り囲み、少なくとも約２５μｍの半径方向厚さ、少なくとも約０．２５の開口数、およびｎ₂＜ｎ₁となるような第２の屈折率ｎ₂を有し、前記コアの該内側クラッドに対する相対屈折率パーセント（Δ％）が約０．１％より大きく、
   前記外側クラッドが、前記内側クラッドを取り囲み、約１０μｍから約５０μｍの半径方向厚さおよびｎ₃＜ｎ₂となるような第３の屈折率ｎ₃を有し、前記内側クラッドの該外側クラッドに対する相対屈折率パーセント（％）が約１．５％より大きく、
   前記コア、前記内側クラッドおよび前記外側クラッドがシリカ系ガラスから形成されていることを特徴とする二重クラッド光ファイバ。
2. 前記コアの開口数が約０．０８から約０．２であることを特徴とする請求項１記載の二重クラッド光ファイバ。
3. （ｉ）前記内側クラッドが純粋なシリカガラスからなり、前記コアが約５．５質量％のＧｅＯ₂から約３２．５質量％のＧｅＯ₂を含む、および／または
   （ｉｉ）前記内側クラッドが純粋なシリカガラスからなり、前記外側クラッドにホウ素およびフッ素が同時添加されている、
   ことを特徴とする請求項１記載の二重クラッド光ファイバ。
4. 前記外側クラッドが約５．０質量％未満のフッ素およびＢ₂Ｏ₃の形態にある約１０質量％未満のホウ素を含むことを特徴とする請求項３記載の二重クラッド光ファイバ。
5. 前記内側クラッドが、該内側クラッドの前記外側クラッドに対する前記相対屈折率パーセント（％）が約３％より大きくなるようにドーパントを含み、
   前記コアが、該コアの前記内側クラッドに対する前記相対屈折率パーセント（Δ％）が約０．３％より大きくなるようにドーパントを含み、
   前記外側クラッドが約５．０質量％未満のフッ素およびＢ₂Ｏ₃の形態にある約１０質量％未満のホウ素を含むことを特徴とする請求項１記載の二重クラッド光ファイバ。
6. 前記内側クラッドが、（ｉ）約５．５質量％から約２７質量％のＧｅＯ₂および／または（ｉｉ）約１質量％から約１５質量％のＡｌ₂Ｏ₃を含むことを特徴とする請求項５記載の二重クラッド光ファイバ。
7. 前記外側クラッドが、前記内側クラッドの屈折率ｎ₂に対して前記外側クラッドの屈折率ｎ₃を減少させる空隙の分布を含むことを特徴とする請求項１記載の二重クラッド光ファイバ。
8. 前記空隙が、前記外側クラッドの全体に渡り非周期的に分布していることを特徴とする請求項７記載の二重クラッド光ファイバ。
9. 前記空隙が、前記外側クラッドの全体に渡り周期的に分布していることを特徴とする請求項７記載の二重クラッド光ファイバ。
10. 前記空隙が異なる断面積を有することを特徴とする請求項７記載の二重クラッド光ファイバ。
11. 前記空隙の直径が約５００ｎｍ未満であり、前記外側クラッドの領域空隙面積パーセントが約１０％から約３０％であることを特徴とする請求項７記載の二重クラッド光ファイバ。
12. 前記空隙が、閉じており、窒素、クリプトンまたはそれらの組合せを含むことを特徴とする請求項１１記載の二重クラッド光ファイバ。
13. 前記空隙が開いていることを特徴とする請求項７記載の二重クラッド光ファイバ。
14. 前記空隙の直径が約１μｍより大きく、前記外側クラッドの領域空隙面積パーセントが約８０％から約９５％であることを特徴とする請求項１３記載の二重クラッド光ファイバ。
15. 前記内側クラッドが純粋なシリカガラスからなり、前記コアが約５．５質量％から約２７質量％のＧｅＯ₂を含むことを特徴とする請求項９から１４いずれか１項記載の二重クラッド光ファイバ。
16. 前記コアの色分散の絶対値が、（ｉ）約１５５０ｎｍの動作波長について約１０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ未満、および／または（ｉｉ）約１３１０ｎｍの動作波長について約１０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ未満であることを特徴とする請求項１記載の二重クラッド光ファイバ。
17. レーザ光源、二重クラッド光ファイバ、ビーム走査装置、光検出器およびコンピュータを備えた光学内視鏡において、
    前記二重クラッド光ファイバがコア、内側クラッドおよび外側クラッドを備え、
    前記コアが、約５μｍ未満の半径および第１の屈折率ｎ₁を有し、活性希土類ドーパントを全く含有せず、
    前記内側クラッドが、前記コアを取り囲み、少なくとも約２５μｍの半径方向厚さ、少なくとも約０．２５の開口数、およびｎ₂＜ｎ₁となるような第２の屈折率ｎ₂を有し、前記コアの該内側クラッドに対する相対屈折率パーセント（Δ％）が約０．１％より大きく、
    前記外側クラッドが、前記内側クラッドを取り囲み、約１０μｍから約５０μｍの半径方向厚さおよびｎ₃＜ｎ₂となるような第３の屈折率ｎ₃を有し、前記内側クラッドの該外側クラッドに対する相対屈折率パーセント（％）が約１．５％より大きく、
    前記コア、前記内側クラッドおよび前記外側クラッドがシリカ系ガラスから形成されており、
    前記レーザ光源の出力は、該レーザ光源の出力が前記二重クラッド光ファイバの前記コアに向けられるように、該二重クラッド光ファイバの第１の端部で該二重クラッド光ファイバの該コアに光学的に結合されており、
    前記光検出器は、前記二重クラッド光ファイバの前記第１の端部で該光ファイバの前記内側クラッドに結合され、該内側クラッドを通る光を電気信号に変換するように動作可能であり、
    前記コンピュータは、前記光検出器に電気的に接続され、該光検出器から受信した電気信号より画像を形成するように動作可能であり、
    前記ビーム走査ユニットは、前記光ファイバの第２の端部に光学的に結合され、標的を二次元に亘り前記二重クラッド光ファイバの前記コアに向けられた前記レーザ光源の前記出力を走査し、該標的から発せられた光を前記光ファイバの前記内側クラッドに集光するように動作可能である、ことを特徴とする光学内視鏡。

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