JP2023524421A - 光導波路及び光導波路の製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、１８０ｎｍより大きい波長を有する、誘導される光学的光ビーム１００を透過させる、光導波路１に関する。導波路１は、第１の屈折率ｎ１を有する第１の材料でできた、光１００を誘導するためのコア層１０と、熱可塑性エラストマーＴＰＥでできたクラッド層２０とを備える。本発明はまた、本発明の光導波路１を備える、医療デバイス及び導波路センサにも関する。本発明はさらに、光導波路１の製造方法にも関する。該方法は、プリフォーム２００を所定の長さ及び横方向寸法まで小さくし、伸長する前又は後に、液体ポリマー１１を導入するための、中央の長手方向の開口部を有する、熱可塑性エラストマーのプリフォーム２００を準備するステップを含む。該方法は、形成された光導波路１のコアを、重合するステップを含む。本発明はまた、外科用器具に関連する光導波路の使用法にも関する。

Description

本発明は、光導波路の分野に関する。本発明は、より詳細には、遠方のターゲットに光を供給することが困難であり、光路が小さく、短い湾曲及び／又は複雑な形状であることがある用途及びデバイスで有利に使用され得る、光ファイバ又は平面導波路などの可撓性の光導波路に関する。本発明は、生体適合性及び伸縮性を有し、エラストマーの使用に基づく、可撓性の光導波路に関する。本発明は、光導波路の破損が劇的な結果をもたらすことになる用途への、解決策を提案する。

光導波路は、遠方のターゲットに光を供給する手段を構成し、長い距離にわたり、狭い空間及び場合によっては過酷な環境を通って展開されることがある。ファイバ・オプティックス、ファイバ束、又は平面導波路の形態の光導波路は、テレコム、工業、及び医療用途などの、広範囲の用途向けに開発されている。テレコム用途の場合、主に赤外線で、非常に長い距離にわたり、極めて低い吸収度を実現可能にするプロセスに、焦点が当てられている。工業機械又は医療用途などの他の用途では、通常、この要件はないが、光導波路の機械的特性、又はさらに化学、生化学、若しくは医療環境で必須である適合性要件などの、他の要件がある。たとえば、医療用インプラントの場合、生体適合性が主な要件である。この生体適合性は、ほとんどの場合、機械的セキュリティ要件など、他の要件にもつながっている。

たとえば、人体へのインプラント用のガラス光ファイバは、かかる用途では劇的である可能性のある生体適合性又は破断性のような、多くの困難に直面している。さらに、インプラントの製造ステップは複雑なので、インプラントの製造には、高い可撓性の光導波路が必要になることが多い。

既存のほとんどの光導波路は、ガラス又はプラスチック・ファイバをベースとしており、インプラントなどの一部の医療用途には適していない。

向上した機械的特性及び／又は医学的若しくは生化学的適合性を有する光ファイバを実現するために、過去にいくつかの試みがなされてきた。たとえば、ポリウレタン（ＰＵ）は、光ファイバ分野において、ケーブル生産のためのコーティング設計及びファイバ光学チューブに広く使用されている。

屈曲したファイバの機械的特性を向上させるために、いくつかの解決策が提案されている。たとえば、文献、特開昭５９－１１１９５２及び国際公開第２００３０９１１７８Ａ２号は、ポリウレタンを使用してガラス・ファイバ上のコーティングの接着性を高め、ファイバを微小な屈曲による影響から保護することを提案している。ＰＵはまた、中国公開特許第１０７５８９５０７号で説明されているように、空中光ケーブルの耐食性及び耐候性を高めるために、光ファイバを補強するのにも使用されている。また、たとえば中国公開特許第２０６４３１３４０号では、医療用途の光ファイバの耐性をより高めるための、ＰＵの使用について説明されている。また、米国特許出願公開第２０１３２４３９４８号では、１次コーティングの欠点を補正するために、複雑なコーティング構造体にＰＵを使用することが提案されている。

光ケーブルの製造で扱うファイバ光学保護チューブ用途の分野において、中国公開特許第２０３２７５７３４号では、ただ単にケーブルの可撓性を高めるための追加成分として、ＰＵなどのポリマーが提案されている。

光ファイバの分野における他の文献は、クラッドのない光ファイバとしてＰＵを使用することを提案している。たとえば、米国特許第４９１５４７３Ａ号は、光の透過率が、ファイバに加えられる圧力に反比例するＰＵファイバを使用することによる、圧力センサについて開示している。また、米国特許出願公開第２００８００８９０８８Ａ１号は、ライティング及び装飾用途で、側面散乱を生じさせる、クラッドのないＰＵファイバの使用について説明している。

米国特許第４８９３８９７号には、生きている哺乳動物の組織での、生体内使用のための可撓性光ファイバについて説明されている。文献、米国特許第４８９３８９７号は、ポリスチレン及び脂肪族ＰＵなどの２種の材料を使用してファイバのコア及びクラッドを生産する、製造プロセスについて説明している。このプロセスは、最後に、必要となる最終的な光ファイバの寸法まで延伸される、ファイバ状プリフォームを生産するための、２種の材料の溶融及び共押出しに基づく。米国特許第４８９３８９７号の製造での主な制約は、クラッド材料が、コアの溶融粘度よりも低い溶融粘度を有していなければならないことである。

別の文献である特開昭６２－２６９９０５は、液体ＰＵ樹脂を中空の可撓性ファイバに射出し、次いでこの液体樹脂を、ＵＶ光を使って重合することにより、可撓性光ファイバを製造する方法について説明している。光硬化性液体樹脂は、たとえばポリウレタンポリ（メタ）アクリレート単独であるが、アルキル（メタ）アクリレート又は他の材料などのモノビニル化合物であってもよい。中空ファイバの生産で使用される材料は、ポリテトラフルオロエチレン、エチレン－酢酸ビニルコポリマー、塩化ビニル樹脂、及び他の種類の材料であった。中空ファイバは、同心の環状のダイを使用して押出成形する必要がある。次いで、液体樹脂を片側から押し出し、中空ファイバの反対側から真空ポンプを使って吸引する。液体コアの重合は、ＵＶ光を使って実行される。この中空ファイバの生産では、吸収の影響が大きいため、許容できない光透過率となる、非常に低品質の表面が生成される。

シリコーンのクラッド層で覆われたガラス・コアについて説明している文献、特開昭５４－４７６６７では、光ファイバを生産するための光学シリコーンの初期使用について説明されていた。シリコーンの、ガラス光ファイバのコーティングとしての使用については、特開昭６２－３０１５２及び特開平０１－２８６９３９、中国公開特許第１０８９７７０６９号などの、いくつかの文献で説明されている。こうしたファイバは、シリコーンのクラッドを使っても、医療用インプラントなどのいくつかの用途では、依然として受け入れられるものではない。

シリコーン・ファイバなどのポリマー・ファイバは、たとえば米国特許第５２３７６３８Ａ号で説明されている。かかるポリマー・ファイバの製造は、押出成形されたコアをクラッド用溶液に浸し、次いでクラッドを硬化させることによって実現される。米国特許第５６９２０８８Ａ号で説明されているように、液体シリコーンを使用して流体導光体を生産することができる。かかる液体シリコーン導波路は、クラッドの役割を果たすように内面に固定された特定のフィルムを備え、一方でコアが流体シリコーンである液体ポリマーの、可撓性チューブを使用する。この技法は、米国特許第９７００６５５Ｂ２号で説明されているように、レーザ切除用の、流体コアの可撓性カテーテルを生産するために使用することができる。シリコーン導光体は、非硬化性の流体シリコーンを使用し、クラッドは、チューブ内面の特定の処理によって実現され、誘導サイズは桁違いの大きさで（ｏｎ ａｎｏｔｈｅｒ ｏｒｄｅｒ ｏｆ ｍａｇｎｉｔｕｄｅ）ある。かかる光ファイバは、横断面が大きいコアに限定されており、必要な光学特性に対応した生産プロセスを再現することは困難である。また、こうした種類の光ファイバは、コア径があまり重要ではない、光配信システムにしか使用されない。センシング用途には、シングルモード動作がより適している。

米国特許出願公開第２０１２２４４１４３号及び中国公開特許第１０７９０７４８４号では、伸縮性の高い光ファイバについて説明されている。文献、米国特許出願公開第２０１２２４４１４３号は、シルクの使用を提案し、一方、文献、中国公開特許第１０７９０７４８４号及び米国特許出願公開第２０１６１７７００２号は、ヒドロゲルの使用について説明している。シルク又はヒドロゲルをベースとする手法は、導波路の端部に配置されたファブリペロー空洞などの、光学的に共振する空洞から情報を取得するためにこの手法を使用するなど、別の用途又は構成に関しては役に立たない。

特開昭５９－１１１９５２ 国際公開第２００３０９１１７８Ａ２号 中国公開特許第１０７５８９５０７号 中国公開特許第２０６４３１３４０号 米国特許出願公開第２０１３２４３９４８号 中国公開特許第２０３２７５７３４号 米国特許第４９１５４７３Ａ号 米国特許出願公開第２００８００８９０８８Ａ１号 米国特許第４８９３８９７号 特開昭６２－２６９９０５ 特開昭５４－４７６６７ 特開昭６２－３０１５２ 特開平０１－２８６９３９ 中国公開特許第１０８９７７０６９号 米国特許第５２３７６３８Ａ号 米国特許第５６９２０８８Ａ号 米国特許第９７００６５５Ｂ２号 米国特許出願公開第２０１２２４４１４３号 中国公開特許第１０７９０７４８４号 米国特許出願公開第２０１６１７７００２号

Ａ．Ｓｈａｒｏｎ等、「Ｒｅｓｏｎａｔｉｎｇ ｇｒａｔｉｎｇ－ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｆｏｒ ｖｉｓｉｂｌｅ ａｎｄ ｎｅａｒ－ｉｎｆｒａｒｅｄ ｒａｄｉａｔｉｏｎ」、Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ、第１４巻、第１１号、２９８５～２９９３頁，１９９７年

したがって、ガラス又はプラスチック・ファイバをベースとする既存の導波路は、インプラント又は他の医療用途などの幅広い用途に適していないので、光ファイバなどの改善された導波路が必要である。

本発明の発明者等は、エラストマー、好ましくはポリウレタンなどの熱可塑性エラストマー（ＴＰＥ）でできたクラッドを有する、光ファイバなどの光導波路を実現することによって、上記で論じた問題に対する解決策を見出した。本発明のファイバ及び導波路の製造プロセスは、インプラント製造業者が少なくとも部分的に、製造業者自体の光導波路を生産できるレベルにまで、光導波路の生産特有の複雑さを低減するなど、幅広い利点を実現する。

本発明は、より正確には、長手方向軸Ｚを画定するコア層と、コア層を囲繞するクラッド層とを備える、光導波路によって実現される。コア層及びクラッド層は、１８０ｎｍを超える波長を有する光ビームを、長手方向軸Ｚに沿って透過するよう構成される。コア層は、第１の屈折率ｎ１を有する第１の材料でできており、クラッド層は、第１の屈折率ｎ１よりも小さい第２の屈折率ｎ２を有する熱可塑性エラストマー（ＴＰＥ）でできた、少なくとも１つの層でできている。

一実施例では、熱可塑性プラスチック（ＴＰＥ）の少なくとも１つの層は、スチレンブロックコポリマー（ＴＰＥ－ｓ）、熱可塑性ポリオレフィンエラストマー（ＴＰＥ－ｏ）、熱可塑性加硫物（ＴＰＥ－ｖ若しくはＴＰＶ）、熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）、熱可塑性コポリエステル（ＴＰＥ－Ｅ）、熱可塑性ポリアミド（ＴＰＥ－Ａ）、又は分類されていない熱可塑性エラストマー（ＴＰＺ）のうちの１つである。一実施例では、コア層は、ポリマー、場合によってはシリコーンでできている。

熱可塑性プラスチックは、ＩＳＯ規格１８０６４に従って規定されている熱可塑性プラスチックであることが好ましい。

実施例では、導波路は、光ファイバ、場合によってはモノモード光ファイバである。変形例では、光導波路は、第１の幅Ｗ１を有する第１の横側面と、第１の幅Ｗ１よりも大きい第２の幅Ｗ２を有する第２の側面とを有し、幅（Ｗ１、Ｗ２）は、長手方向軸Ｚに直交する平面Ｘ－Ｙで画定される、任意の横断面で画定される。

特定の実現において、コア層の屈折率は１であってもよく、クラッド層の内面は、コア層に入力結合される光を反射するよう配置された、金属層及び／又は誘電体層を備えてもよい。

実施例では、光導波路は、少なくとも１つの長手方向平面（Ｘ－Ｚ、Ｙ－Ｚ）で画定される、１００未満のモード、好ましくは２０未満のモード、より好ましくは５つ未満のモードを誘導するよう構成される。変形例では、光導波路は、少なくとも２つの相異なる断面を有する、先細の光導波路である。

実施例では、導波路の光透過率（Ｔ０）は、１８０ｎｍから２５μｍの間の波長を有する入力結合光に対して５０％を超え、光導波路は、２ｍ未満、好ましくは０．５ｍ未満、より好ましくは０．２５ｍ未満の長さを有する。変形例では、光透過率（Ｔ０）は、３００ｎｍから５μｍの間、好ましくは３５０ｎｍから２μｍの間、さらにより好ましくは４００ｎｍから７００ｎｍの間の波長を有する入力結合光に対して、８０％を超える、好ましくは９０％を超える。

有利な実施例では、光導波路が、光導波路の長さ（Ｌ）の少なくとも１０％、好ましくは少なくとも２０％、より好ましくは少なくとも３０％まで、弾性的に伸縮可能であるよう構成され、これにより、光透過率（Ｔ２）は、伸張された後、伸張される前の光導波路の透過率（Ｔ０）の少なくとも９０％で保持される。

本発明は、少なくとも３つの光導波路を備える、光導波路束にも関する。

本発明はまた、本発明の少なくとも１つの光導波路を備える医療デバイスにも関する。医療デバイスは、蝸牛インプラントであってもよい。別の態様では、本発明は、本発明の少なくとも１つの光導波路と、光導波路に配置された光空洞センサ・ヘッドとを備える、光センサにも関し、センサ・ヘッドは、可撓性の膜によって閉じられた光空洞を備える。

本発明はまた、説明されている光導波路の製造方法によって実現し、以下のステップ（Ａ～Ｄ）を含む。
Ａ）熱可塑性エラストマー（ＴＰＥ）でできている、中空プリフォームを実現するステップ。
Ｂ）所定の長さ（Ｌ）及び所定の断面を有する細管（ｃａｐｉｌｌａｒｙ）が形成されるまでプリフォームの直径を小さくし、プリフォームを伸長するステップであって、細管が、所定の断面を有する中央開口を有する、伸長するステップ。
Ｃ）プリフォームの中央開口内に、液体シリコーンを導入するステップ。
Ｄ）液体シリコーンを重合して、重合された液体シリコーンでできたコアを有する、光導波路を形成するステップ。

一実施例において、ステップＣ及びＤは、ステップＥからＧによって置き換えられる。
Ｅ）プリフォームの直径を小さくするステップＢの間に、液体シリコーンを導入するステップ。
Ｆ）プリフォームの直径を小さくするステップの間、前の形の光導波路が、所定の長さ（Ｌ）及び所定の断面を得るまで、液体シリコーンを液体の状態に保持するステップ。
Ｇ）光導波路を形成するために、液体シリコーンと細管とを熱重合するステップ。

一実施例において、Ｂ、Ｃ及びＤは、ステップＨからＪによって置き換えられる。
Ｈ）ステップＡの後、液体ポリマーを、中空プリフォームの中央開口部内に導入するステップ。
Ｉ）液体ポリマーで充填されたプリフォームの直径を小さくし、液体ポリマーで充填された細管が形成されるまで、充填されたプリフォームを伸長するステップであって、細管が、所定の長さ（Ｌ）及び所定の断面を有する、伸長するステップ。
Ｊ）ＵＶ光を当てて、液体ポリマーを重合するステップ。

一変形例では、液体ポリマーは液体シリコーン又は液体シロキサンである。

本発明の光導波路の図である。 導波路の受光角度及び出力結合光ビームの角度を示している、本発明の導波路の長手方向断面図である。 本発明による平面光導波路の図である。 本発明の先細の光ファイバの図である。 本発明による光ファイバを備える、ファイバ束の横断面図である。 本発明による、ポリマーのクラッドに埋め込まれた少なくとも２つの光誘導コアを有する、様々なタイプの光ファイバの例示的な断面図である。 本発明による、ポリマーのクラッドに埋め込まれた少なくとも２つの光誘導コアを有する、様々なタイプの光ファイバの例示的な断面図である。 本発明による、ポリマーのクラッドに埋め込まれた少なくとも２つの光誘導コアを有する、様々なタイプの光ファイバの例示的な断面図である。 本発明による、ポリマーのクラッドに埋め込まれた少なくとも２つの光誘導コアを有する、様々なタイプの光ファイバの例示的な断面図である。 本発明の光導波路の製造の、いくつかのステップを示す図である。 本発明によるファンイン／ファンアウト光学部品を実現するために使用できる、複合型プリフォームを示す図である。 空洞が、本発明の光ファイバに接する外側チューブを使って配置される、外側の膜を備える光空洞を具備するセンサ・ヘッドを示す図である。 側面のインカプラ格子及び側面のアウトカプラ格子を備える、本発明の光ファイバを示す図である。 本発明の光ファイバを備える、蝸牛インプラントを示す図である。 ファンイン／ファンアウト光学部品を作るための、２つのホルダを備えるプリフォームの一部の実例を示す図である。 ２つのホルダが、ＴＰＥポリマーの射出後に取り外されるべき複数のワイヤを備える、ファンイン／ファンアウト光学部品を作るための、２つのホルダを備えるプリフォームの一部を示す図である。 図１６の装置の２つのホルダ間にあるワイヤを、ＴＰＥポリマーでオーバーモールドした後の、プリフォームを示す図である。 クラッド層としてＴＰＵ層を射出した後の、複合型マルチコア・ファイバ及びファイバ束のプリフォームの脱型を示す図である。 図１６及び図１７の型を使用して実現される、マルチファイバのファンイン／ファンアウト・プラットフォームを示す図である。

本発明について、実施例に関連して、また添付図面を参照しながら説明することにするが、本発明はこれらに限定されるものではない。説明される図面は、概略的なものに過ぎず、限定的ではない。図面において、一部の要素のサイズは誇張されており、説明する目的で、一定の縮尺で描かれていないことがある。寸法及び相対寸法は、本発明の実践に対する実際の縮約とは一致していない。

本明細書で使用されるとき、本明細書で使用される「光導波路」という用語（導波路とも定義される）は、モノモード・ファイバ及びマルチモード・ファイバなどの、すべてのタイプの均質若しくは不均質な、且つ／又は先細の光導波路を包含するが、さらにモノモード及びマルチモード平面光導波路、並びに複数の光ファイバ、平面光導波路、又はこれらの混合物を備える導波路束も、包含する。導波路１は、導波路１内の光学的光ビーム１００の誘導方向に画定される、導波路１の中心仮想軸として画定される長手方向軸を有する。光の誘導は、全内部反射（ＴＩＲ：ｔｏｔａｌ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）によって、又は反射若しくは回折層若しくは構造体を使用することによって、実行することができる。モノモード導波路の場合、１つのモードだけが導波路のコアを通って誘導される。仮想軸は、Ｚ軸及び２本の直交軸Ｘ、Ｙ、又はＺ軸への方向を画定する。本明細書では、横断面は、Ｘ－Ｙ平面で画定される断面である。長手方向の断面は、Ｚ軸を含む平面で画定される。

本発明の光導波路１のタイプは、用途のタイプ、又は幾何形状の制約、並びに光導波路１が実装されるエアロゾル生成デバイスの幾何形状及び動作温度の要件に従って選択され、典型的であるが、排他的ではない、以下の選択肢がある。
－ シングル・ファイバ：強度、偏光、及びスペクトル情報送信用
－ ファイバ束：画像送信及び光ビーム照射用
－ マルチコア光ファイバなどのマルチコア光導波路
－ 平面導波路：強度、偏光、及びスペクトル情報送信、並びに画像送信及び照明光ビーム用
－ ファンイン／ファンアウト光デバイス

たとえば内視鏡で使用されるような、光ファイバ１及び光ファイバ束３００などの光導波路１は、誘導光学の分野の当業者にはよく知られており、ここではこれ以上説明しない。物体を照射し、かかる物体によって反射又は透過した光を収集するのに適した、光ファイバ装置を構成する方法も知られている。本発明は、光ファイバなどの光導波路、及びこうしたファイバの製造手順について提案している。さらに詳細に説明されるように、好ましい製造方法のうちの１つは、熱延伸処理して、極めて可撓なＴＰＵの細管２０００を得ることができる、熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）のプリフォーム２００などの、熱可塑性エラストマー（ＴＰＥ）の細管のプリフォーム２００を実現することを含む。本発明の導波路１は、プリフォーム２００にポリマーを充填し、プリフォームを引っ張って細い導波路１を得るか、又は最初に固体の細管を実現し、細管に液体ポリマーを充填することによって実現される。コア１０の液体ポリマーを硬化する、様々な手法についてさらに説明する。導波路１のコア１０を形成するために使用されるべき液体は、シリコーン又はシロキサンであることが好ましい

本発明は、第１の態様において、低コストで生体適合性があり光学的に透過性の材料を使用することにより、マルチモードの作用がより大幅に低減された、新しい生体適合性の伸縮性が高い光導波路１を提案している。全般的な考え方は、依然として導波路１のクラッドに熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＥ）、好ましくは熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）を使用することにあり、細管２０００は、ＴＰＥのプリフォーム２００から始まる。その後、この液体シリコーンが、重合して、最終的なクラッドの光ファイバを作成することができる。本発明は、中実のコアを有する導波路に限定されるものではない。導波路１はまた、エラストマーでできた細管だけからなる中空の導波路であってもよい。細管は、内面にコーティングを有してもよい。

本発明の導波路１０は、多種多様な形態及び幾何形状で配置されてもよく、又は医療デバイス２内で、任意の構成で配置されてもよいことを理解されたい。本発明は、第１の態様において、長手方向軸Ｚを画定するコア層１０と、コア層１０を囲繞するクラッド層２０とを備える光導波路１に関し、光導波路１は、光ビーム１１０をコア層１０に入力結合する入力結合面３１と、光１２０をコア層１０の外へ出力結合する出力結合面５１とを有し、コア層１０及びクラッド層２０は、誘導光ビーム１００を、長手方向軸Ｚに沿ってコア層１０を通って、入力結合面３１から出力結合面５１まで透過させるよう構成され、誘導光ビーム１００は、１８０ｎｍより長い波長を有する。本発明のすべての実施例において、光導波路１のクラッド層は、熱可塑性ゴムとしても規定される、熱可塑性エラストマー（ＴＰＥ）でできている。ＴＰＥは、コポリマーの１つのクラス、又は通常プラスチック及びゴムである、熱可塑性と弾性との両方の特性を有する材料からなる、ポリマーの物理的混合物である。熱可塑性プラスチック部品は、たとえば射出成形によって、製造が比較的容易である。熱可塑性プラスチック材料は、ゴム材料とプラスチック材料との両方の利点をもたらす。本発明の導波路に熱可塑性エラストマーを使用することの利点は、適度な伸び量まで伸張して、ほぼ元の形状まで戻り、他の材料よりも長寿命及び良好な物理的範囲を生み出す能力である。熱硬化性エラストマーと熱可塑性エラストマーとの主な違いは、これらの構造における架橋結合のタイプである。実際、架橋特性は、本発明の光導波路に高い弾性特性を与える、重要な構造的要因である。ＴＰＥはよく知られており、ここではこれ以上説明しない。

商業ベースのＴＰＥには、一般的な６つのクラスがある（ＩＳＯ規格１８０６４による指定）。
－ スチレンブロックコポリマー、ＴＰＳ（ＴＰＥ－ｓ）
－ 熱可塑性ポリオレフィンエラストマー、ＴＰＯ（ＴＰＥ－ｏ）
－ 熱可塑性加硫物、ＴＰＶ（ＴＰＥ－ｖ又はＴＰＶ）
－ 熱可塑性ポリウレタン、ＴＰＵ（ＴＰＵ）
－ 熱可塑性コポリエステル、ＴＰＣ（ＴＰＥ－Ｅ）
－ 熱可塑性ポリアミド、ＴＰＡ（ＴＰＥ－Ａ）
－ 分類されていない熱可塑性エラストマー、ＴＰＺ

本明細書では、ＴＰＵが好ましいＴＰＥであるが、他のＴＰＥ材料をクラッド層に使用してもよい。

コア層１０は、第１の屈折率ｎ１を有する第１の材料でできており、クラッド層２０は、第１の屈折率ｎ１よりも小さい第２の屈折率ｎ２を有する、ＴＰＥの少なくとも１つの層でできている。コア層１０は、内部反射層を備える少なくとも１つのＴＰＥの層でできた細管の、特定の場合において、空気若しくは真空であってもよく、又は液体であってもよい。

屈折率の値は、両方の材料について広い範囲にわたることができ、たとえば、ｎ２＝１．４９～１．５７及びｎ１＝１．５２～１．６０である。

提案する光導波路１の有効長の限界は、方法の段落でさらに説明されるように、ＴＰＵの細管内への液体シリコーンの侵入長さである。さらに説明される様々な製造方法が可能であり、それぞれの方法により、用途に応じた、また必要な強度のスループットに応じた、様々な幾何形状及び様々な長さを実現させることが可能となる。それでも、典型的な光導波路は、たとえば医療用インプラントの場合、約１０ｃｍのファイバ長を有する光ファイバであるが、より長くてもよい。たとえば、人間の場合１０ｃｍにわたる臓器のスケールの距離に対して、長さは１０ｃｍで十分であろう（参考文献５）。

好ましい実施例では、光導波路の線損失（ｌｉｎｅａｌ ｌｏｓｓ）は０．５～１ｄＢ／ｃｍを超えず、これにより、長さ１０ｃｍの導波路の往復で、最大１０～２０ｄＢの全体的な損失が保証される。曲げ損失は、導波路を、蝸牛の内側で見ることができる狭い半径（遠端で１～２ｍｍ）に配置する必要がある、蝸牛インプラントとしての用途で、非常に重要である（参考文献３）。しかし、こうした半径は漸増的であり、導波路１は、数ミリメートルにわたるにすぎない、非常に短い曲げ半径を有するところを通して配置されることがある。たとえば、ファイバの先端にある共振空洞からもたらされる、最終的に取得する信号にいくらかのマージンを設けるために、導波路は、約５ｍｍの曲げ半径に対して、損失が、平均的な蝸牛の長さに相当する３０ｍｍのファイバ長にわたり、往復ベースで５ｄＢ未満であることが不可欠である。この制約は、明らかに、ファイバの減衰自体によって引き起こされる。ファイバの減衰が、上記で定めた、０．５～１ｄＢ／ｃｍよりもはるかに低い場合、曲げ損失に使用できるマージンは、より大きくなるであろう。

標準的な減衰値は、１５５０ｎｍで０．７９ｄＢ／ｃｍ、１３００ｎｍで０．４６ｄＢ／ｃｍである。減衰値は、６３３ｎｍでは、１５５０ｎｍでの０．７９ｄＢ／ｃｍ、及び１３００ｎｍでの０．４６ｄＢ／ｃｍより低くなる。そのため、２ｍを超えるファイバ長を使用することができる。実験データは、本発明の光導波路が、スペクトルの赤外部分よりもスペクトルの可視部分で、減衰がより小さいことを示している。

好ましい実施例では、光導波路１は、図１に示されているように、モノモード又はマルチモード・ファイバであり得る光ファイバである。コア１０の横断面３０及びクラッドの断面４０は、導波路１の長さにわたって均一であってもよいが、図４に示されているように変化してもよい。

図３に示されている一実施例では、光導波路１は、第１の幅Ｗ１を有する第１の横側面１ｃと、第１の幅Ｗ１よりも大きい第２の幅Ｗ２を有する第２の側面１ｂとを有し、幅Ｗ１、Ｗ２は、長手方向軸Ｚに直交する平面Ｘ－Ｙで画定される、任意の横断面で画定されている。図３は、長方形の断面を有する平面光導波路１を示しているが、楕円形の断面又は台形の断面など、他の断面も可能であり得る。

図４に示されている実施例では、光導波路１は、長手方向軸Ｚを含む少なくとも１つの平面において先細の形状を有する、先細の導波路１である。図４は、横断面４２、４４の変化する形状及び／又は寸法を示している。

一実施例では、コア層１０はポリマーでできている。このポリマーは、シリコーンであってもよい。

変形例では、コア層は、液体であってもよい。これは、液体が光導波路１の内部に閉じ込められた状態で保持されるように、非常に小さいコア直径を有する細管を準備することによって、実現することができる。一変形例では、液体コアを有する導波路の入力及び出力エリアは、液体が導波路１の内部に留まるように、液体コアを閉じ込めるための窓を有していてもよい。

一実施例において、クラッド層２０は、ポリウレタン、場合によっては熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）でできている。

一実施例では、反射層が、コア層１０とクラッド層２０との間に配置されてもよく、反射層は、コア層１０の内側で、全反射及びコア層２０へ入力結合される誘導光の誘導を可能にするよう配置されている。反射層は、金属層若しくは誘電体層、又はこれらの組合せであってもよい。

一実施例では、光導波路１は光ファイバであり、コア層１０及びクラッド層２０は、１００未満、好ましくは２０未満、より好ましくは５つ未満の複数のモードを誘導するよう構成される。

一実施例では、光導波路１は、モノモード・ファイバである。

一実施例では、光導波路１は、少なくとも１つの長手方向平面Ｘ－Ｚ、Ｙ－Ｚで規定される、１００未満のモード、好ましくは２０未満のモード、より好ましくは５つ未満のモードを誘導するよう構成される。

一実施例では、光導波路は、少なくとも２つの相異なる断面４２、４４を有する、先細の光導波路である。

光導波路１は、強度Ｉ１に対する出力結合光１２０の強度Ｉ２の比、Ｉ２／Ｉ１として定義される光透過率Ｔ０を有する。一実施例では、光導波路１は、２ｍ未満、好ましくは０．５ｍ未満、より好ましくは０．２５ｍ未満の実用的な長さを有し、出力結合光１２０の強度Ｉ２は、１８０ｎｍから２５μｍの間の波長を有する入力結合光に対して、入力結合光１１０の強度Ｔ０の１０％より大きく、好ましくは３０％より大きくなり得る。

一実施例では、光導波路１の有効長では、３００ｎｍから５μｍの間、好ましくは３５０ｎｍから２μｍの間、さらにより好ましくは４００ｎｍから７００ｎｍの間の波長を有する入力結合光に対して、８０％を超える、好ましくは９０％を超える光透過率を有する。

たとえば医療用インプラントの場合、有効長は、典型的には１０～２０ｃｍである。

一実施例では、光導波路１は、光導波路の長さＬの少なくとも１０％まで弾性的に伸張することができ、これにより、伸張された後の光透過率Ｔ２は、伸張される前の光導波路１の透過率Ｔ０の少なくとも５０％、好ましくは少なくとも７０％、さらにより好ましくは少なくとも９０％で保持される。

光導波路１の本質的な特徴のうちの１つは、光導波路の光誘導特性を実質的に維持しながら、伸張できることである。ＴＰＵでできた中空コアの導波路１の場合、コア１０は、空気又は真空であり、導波路１が破損する前に６００％の伸び率が可能である。シリコーンでできたコア１０を有する光導波路１の場合、コア層１０のクラッド層２０との接着特性に応じて、断裂前の可能な伸び率は類似し得る。選択したコア材料層によっては、クラッド層が損傷する前にコア層が損傷又は断裂することがあるので、断裂の限界は、コア層の伸長特性にも依存する場合がある。典型的なシリコーン・コア層は、断裂前に、最大５０％の伸び率を有することができる。

一実施例では、液体コア材料を導入する前に、細管２０００の内面に接着層又は減摩層を設けてもよい。これは、たとえば曲率半径が小さい、且つ／又は牽引力が大きい状況における、導波路１の破損限界又は機械的損傷の可能性を改善する手法を提供する。

本発明はまた、図５に示されている光導波路束３００によっても実現され、光導波路束は、示されているように、少なくとも３つの光導波路１ａ、１ｂ、１ｃを備える。一変形例７では、光ファイバ１は、外部マントル３０２及び内部充填材料３０４を備える、かかるファイバ束３００内に配置されてもよい。

図６～図９に示されている実施例では、光導波路１’、１’’、１’’’、１’’’’は、複数のコア層１０’、１０’’、１０’’’、１０’’’’を備えることができる。

実施例では、光導波路（１）は、偏波保持導波路（１）であってもよい。

本発明の光導波路１は、コア層１０及びクラッド層２０を備える導波路１だけに限定されるものではないことを理解されたい。さらに、コア層１０及び／又はクラッド層２０は、光学機能を有する構造化部分を備えていてもよい。典型的な光学構造体は、図１３に示されているように、局所的な回折格子又は分散された格子であり得る、回折格子である。また、ホログラムタイプの構造体又は層を、光導波路１の中又は上に配置することができる。

有利な実施例では、導波路１の少なくとも一部は、共鳴導波路回折格子（ＲＷＧ：ｒｅｓｏｎａｎｔ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｇｒａｔｉｎｇ）に従って配置される。ＲＷＧは、たとえば以下で説明されている。
－ Ａ．Ｓｈａｒｏｎ等、「Ｒｅｓｏｎａｔｉｎｇ ｇｒａｔｉｎｇ－ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｆｏｒ ｖｉｓｉｂｌｅ ａｎｄ ｎｅａｒ－ｉｎｆｒａｒｅｄ ｒａｄｉａｔｉｏｎ」、Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ、第１４巻、第１１号、２９８５～２９９３頁，１９９７年

ＲＷＧは、多層構成を使用して作られ、サブ波長格子及び薄い導波路を組み合わせている。入射光が格子によって回折され、導波路のモードに整合すると、共鳴が生じる。入力結合光のスペクトルのほとんどが導波路に結合されないので、反射及び／又は透過において、強いスペクトル効果が実現される。これは、ＲＷＧがコルゲート導波路であり、導波路格子として作用するという事実である。証印にＲＷＧを使用すると、識別及び複製が非常に困難な独特の光学効果を実現することができる。ＲＷＧは概して、動作する波長よりも短い空間周期性を有するよう設計されているため、「サブ波長」構造体又はサブ波長デバイスと呼ばれる。ＲＷＧは、最終的に、動作している波長に近い、動作している波長より僅かに大きい、周期性を有する。多くの場合、周期は、使用している自由空間波長よりもかなり短く、たとえば自由空間波長の３分の１である。ＲＷＧの周期性が小さいので、様々な回折次数が不可能となり、これによりＲＷＧは、はるかに単純な回折光学素子（ＤＯＥ：ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ）と区別される。

ＲＷＧを使用すると、たとえば、高い入力結合及び／若しくは出力結合効率を可能にすることにより、独特な入力結合及び出力結合光学効果を実現するか、又は偏光ビームをより効率的に、若しくはバイナリ型回折格子などの通常の回折格子の使用では不可能な所定の角度で、入力結合及び出力結合することができる。ＲＷＧは、設計によってはとりわけ特定の所定の波長に依存することがある、非常に効率的な光結合効率を有する安価な導波路を実現できる、エンボス技法を用いて実現されてもよい。図に示されていない変形例では、導波路１の側面のうちの少なくとも１つが、導波路の全長の少なくとも５０％にわたって連続的又は非連続的に、入力結合面及び／又は出力結合面として配置されている。入力結合面及び／又は出力結合面は、ＲＷＧとして構成することができる。

本発明はまた、本明細書で説明されている少なくとも１つの光導波路１を備える、光学システム又はセンサによっても実現する。一実例では、共振空洞は、本発明の光導波路１の先端部として配置される。低コストのテレコムグレードのＬＥＤを光源として使用し、共振空洞から情報を取得することができる。かかるデバイスでは、約２００～３００μｍの空洞長さで、有用な干渉縞が目に見える必要がある。

本発明はまた、変形可能ダイアフラム５３０が光導波路の出力端に固定された、先端部に配置された共振空洞５２０を備える光導波路センサによっても実現される。空洞５２０は、共振効果以外の別の機能を有することができ、たとえば、空洞は、膜の変形によって、ファイバ１に送り返される光ビームの光強度に、変化を与えることができる。実施例では、空洞５２０は、空気又は油などの液体で充填されていてもよい。

実施例では、医療デバイスは、蝸牛内で使用されるべきインプラントである。図１４は、人間の耳に挿入されるべき中央部分６０６を備える、蝸牛インプラント６００を示している。機械的誘導構造体６０６は、中央部分に配置され、本発明による少なくとも１つの光導波路１を備える。

有利な実施例では、医療デバイスは、ＵＶ光ビームを所定の場所に供給して、たとえば生体内の場所を消毒するために、本発明の少なくとも１つの光導波路１を備えることができる。光導波路１の少なくとも一方の末端は、入力結合又は出力結合光ビームの偏向、集束、又は発散などの光学機能に使用され得るような形状を有することができることを、概ね理解されたい。該形状は、導波路１の製造プロセス中に、たとえば末端を加熱して導波路の端部に丸みを帯びた形状を設けることによって、実現することができる。

本発明の導波路１は、参考文献１８で説明されている光遺伝学に使用することができる。本発明はまた、本発明による少なくとも１つの導波路１を備える、光遺伝学で使用されるべきデバイスにも関する。

本発明の導波路１はまた、外科用器具をリアルタイムで追跡するために、たとえば、器具の先端の位置特定情報を生じさせるか、又は外科的介入場所での、光導波路の先端の光情報を監視するために、使用することもできる。したがって、本発明はまた、本発明の光導波路を備える外科用器具にも関する。

本発明は、第２の態様において、前述の光導波路１の製造に関し、図１０に概略的に示すステップ（Ａ～Ｄ）を含む。
Ａ）熱可塑性エラストマー（ＴＰＥ）、好ましくは熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）でできた、中空プリフォーム２００を実現するステップ。
Ｂ）所定の長さＬ及び所定の断面４０、４１を有する細管２０００が形成されるまで、プリフォーム２００の直径を小さくし、プリフォームを伸長するステップであって、細管が、所定の断面３０を有する中央開口２２０を有する、伸長するステップ。
Ｃ）プリフォームの中央開口２２０内に、液体シリコーン１１を導入するステップ。
Ｄ）液体シリコーンを重合して、重合された液体シリコーン１１でできたコア１０を有し、所定の長さＬ及び外径Ｄ２を有する、光導波路１を形成するステップ。コアの直径は、プリフォームの外径Ｄ１とプリフォームの開口部の直径との比に直接関連する。というのは、この比は、直径を小さくするステップＢの間に変化しないからである。

一実施例において、ステップＣ及びＤは、ステップＥ、Ｆ、Ｇによって置き換えられる。
Ｅ）プリフォームの直径を小さくするステップＢの間に、液体シリコーン１１を導入するステップ。
Ｆ）プリフォーム２００の直径を小さくするステップの間、前の形の光導波路が、所定の長さ（Ｌ）及び所定の断面４０、４１を得るまで、液体シリコーンを液体の状態に保持するステップ。
Ｇ）光導波路１を形成するために、液体シリコーン１１と細管（２０００）とを熱重合するステップ。

一実施例において、ステップＢ、Ｃ及びＤは、ステップＨ、Ｉ、Ｊによって置き換えられる。
Ｈ）ステップＡの後、液体ポリマー１１を、（中空プリフォーム２００の）中央開口部２０２内に導入するステップ。
Ｉ）液体ポリマー１１で充填されたプリフォーム２００の直径を小さくし、液体ポリマー１１で充填された細管２０００が形成されるまで、充填されたプリフォーム２００を伸長するステップであって、細管は、所定の長さＬ及び所定の断面４０、４１を有する、伸長するステップ。
Ｊ）ＵＶ光を当てて、液体ポリマーを重合するステップ。

一実施例のステップでは、液体ポリマーは液体シリコーンであり、場合によっては液体シロキサンである。

該方法の一実施例では、得られた光導波路１は、マルチモード光ファイバである。一変形例では、得られた導波路は、モノモード光ファイバである。

一実施例では、得られた導波路は、任意の横方向の平面Ｘ－Ｙで画定される、円形でない断面を有する光導波路である。実施例では、導波路のコア１０は、１μｍ未満であり得る、非常に小さい断面を有する。ここで、これを実現するためのプロセスについて説明する。

延伸する間にファイバ径を小さくするためには、ファイバ径を小さくする巻取り速度である、延伸パラメータを調整する必要があろう。そのためには、ＴＰＵとシリコーンとの両方の材料が、かかる小さな幾何形状で加工できなければならない。シリコーンに関しては、液体のまま保持され、ＴＰＵの変形に追従するので、これは非常に簡単であろう。最終的なファイバ径が十分に小さくはない場合、シリコーンがまだ重合されていなければ、ファイバのサイズを小さくするために、新しい延伸プロセスを開始することができるであろう。このプロセスは、参考文献１６で提案されているものと同様であり、回転ロッドがマイクロファイバを巻いている間に、導入されたファイバが溶融される。発明者等の場合、溶融は、プリフォームからファイバを延伸するために使用されるものと同じヒータを使って実行することになる。入ってくるファイバのサイズが１００μｍ以下と小さいため、溶融を迅速に実現する必要があり、そうすれば、シリコーンの重合が再び起こる時間はないであろう。通常のスプールの周りではなく、ロッドの周りに巻き付けることが必須である。この理由は、熱くなったＴＰＵのファイバが、十分に冷やされていない場合、ファイバ同士がくっついてしまうからである。通常の光ファイバの延伸では、この冷却は、ファーネス及び巻取りスプールを取り外して実行される。これは、起こり得るファイバの破断を回避するために、巻取りプロセスをファーネスのできるだけ近くで行う必要があるマイクロ及びナノ・ファイバの場合、適用できない。また、マイクロ及びナノ・ファイバが接触すると、やはりほとんどの場合くっついてしまい、マイクロ及びナノ・ファイバのサイズが小さいため、分離は不可能であろう。したがって、ロッドの周りに巻き付け、１巻きごとにロッドを長手方向に動かしてファイバを分離することが、唯一の解決策である。

一実施例では、有用な光導波路の長さは、許容可能な光透過率が得られるまで導波路１を切断することにより決定される。したがって、短い光導波路の光透過率の比Ｔ１／Ｔ０を判定する、透過率測定ステップを実行でき、その後に、第１の短い光導波路の長さよりも長さが短い、第２の短い光導波路を生成するために、光導波路１を別の所定の長さに切断することからなる、新しいステップＦが続き、第２の短い光導波路は、第１の短い光導波路の透過率の比Ｔ１／Ｔ０よりも大きい透過率の比Ｔ２／Ｔ１を有する。

変形例では、マイクロ又はナノサイズの光ファイバを実現することができる。これらの直径は通常１μｍで、場合によっては１μｍ未満であってもよい。ＴＰＵでできたプリフォームが、ＵＶ重合性接着剤又はシリコーンで充填される場合、中央開口部に導入される液体は、プリフォームの直径を小さくする際にＴＰＵの円筒の変形に追従し、その結果、中央開口部２００２は、細管の引っ張り動作の間、マイクロサイズの直径に達した場合でも、閉じられない。所定の長さ及び外径に達すると、内部の液体が、ＴＰＥ又はＴＰＵを通過するＵＶ光によって重合される。

本発明はまた、ファンイン／アウト光システム（参考文献１７）を実現するために使用でき、マルチコア・ファイバの出力及び入力の接続を可能にする（参考文献１７）システムの製造方法にも関する。この方法は、好ましくは以下のステップを含む。
－ 硬化されていない液体コアを有し、典型的には４０μｍの直径を有する、複数の光ファイバを準備するステップ。
－ 束を形成するために、複数のファイバを、複数の穴及びマルチコア・ファイバと同じファイバの幾何形状の分散配置を有する、機械的ホルダ内に整列させるステップ。機械的ホルダは、接続すべきマルチコア・ファイバと等しいか、又はマルチコア・ファイバより大きい、円筒の外径を有することが好ましい。
－ 一実施例では、ホルダ内に導入されるファイバの数は７本である。導入されるファイバは、様々なタイプのファイバであってもよい。
－ すべての構成要素を一体に固定するために、好ましくはＵＶ接着剤を使って、機械的ホルダの組立体を接着するステップ。

図１７に示されている一変形例では、プリフォームは、複合型プリフォームである。たとえば、ブロック４０００は、（図１６に示されているように）ワイヤが配置されている２つのホルダを備えることができ、この構造体は、図１７に示されているように、ＴＰＵなどのＴＰＥのクラッド層によってオーバーモールディングすることができる。プリフォームは、射出成形によって生産することができ、プリフォームの最初の半分は、マルチコア・プリフォームを構成する。別の半分は、２つのホルダを備えるプリフォームの第１の部分に直接整列及び接続される、複数の、好ましくは７本の別々のチューブである。

図１５は、好ましくはファンイン／ファンアウト光学部品を実現するよう配置された、２つのホルダ４００４、４００４を備える、プリフォームの一部を具備する、装置４０００の実例を示している。

図１６は、ファンイン／ファンアウト光学部品を作るための、図１５の２つのホルダを備えるプリフォームの一部を示しており、２つのホルダは、ＴＰＥポリマーの射出後に取り外されることになる複数のワイヤ４００１を備える。図１６は、クラッドを射出する前の、７つの型コアを備える２つのインサートを示している。２つのホルダ４００２と４００４との間のボリュームをオーバーモールディングした後、ＴＰＥ層４００３によるそのボリューム内に、ワイヤが存在している（図１６）。次いで、ＴＰＥを冷却し、ワイヤ４００１を引き抜くと、シリコーンなどの別のポリマーを導入できる、複数の軸方向の穴が残る。このように形成されたプリフォームは、マルチコア・ファイバを作るために延伸されてもよく、又はファンイン／ファンアウト光デバイスで使用され得る、直径が小さくなった中央部分を有するマルチコア構造体を形成するために、プリフォームの中央部分にわたって、延伸又は加熱されてもよい。

図１８は、図１７に示されたクラッド層である、ＴＰＵ層４００３を射出した後の、かかるマルチコア・ファイバの脱型プロセスを示している。図１９は、図１６及び図１７の型を用いて実現されたマルチコアのファンイン／ファンアウト・プラットフォームを示しており、最終的な所望の直径に達するように溶融及び延伸した後のものである。図１９に示されているファンイン／ファンアウト部品４１００は、離間されたコアを有する２つの端部４１０４、４１０６と、コアが、２つの端部４１０４及び４１０６における状態よりも接近している、中間部４１０２とを備える。

マルチコア・プリフォーム部分のサイズを通常のファイバのサイズまで縮小し、移行エリアから出るチューブを通常サイズまで小さくするために、複合型プリフォームの移行エリアで溶融及び延伸プロセスが実現される。

一実施例では、ファイバは、マルチコア・ファイバ構造体同様のものを形成する、環又はチューブ内に配置されてもよい。この構造体を、熱フラッシュによって固定し、次いで接続されるべきマルチコア・ファイバと等しい最終径に達するように、熱によって延伸する。

本発明はまた、ファイバのコアの直径を変化させる使用法に基づく、照明デバイス及び照明方法にも関する。かかる照明方法は、以下のステップを含む。
－ 本明細書に説明されている光導波路１を準備するステップ。
－ 光導波路１のコア１０に、光を導入するステップ。
－ 光を、コア１０から光導波路の側面に、クラッド２０を通して結合するために、光導波路１の一部を伸張するステップ。

一変形例では、伸張は、自動機構によって周期的に伸張されてもよい。一実施例では、クラッド層による光拡散効果を実現するために、ドーパントをＴＰＥクラッド層に組み込むことができる。ドーパントを組み込むことにより、光導波路の伸張された部分を、より目に見えるようにすることが可能になるので、たとえば光装飾に有用な、ライティング効果を実現する。

実験結果
ＴＰＵの細管２０００の典型的なプロセスでは、第１のステップは、好ましくは射出成形によって、クラッドのプリフォーム２００を生産することである。クラッドの寸法は、所定の数の導波モードを有するマルチモード・ファイバを得るために、又は標準のシングル・モード・ファイバに近いか若しくは等しくてもよい、ファイバ及びコアのサイズを確保するために、最終的なクラッドの直径とコア・ファイバの直径との比を考慮する必要がある。クラッドの直径は、成形する寸法の制約に従う必要があるが、型の内部でインサートを使用するために必要な、初期の中央穴の直径にも依存する。このインサートは、成形プロセス中に、高温のポリマーの流れによって曲がる可能性があるので、クラッド生産の重要な構成要素である。こうした制約及び典型的な射出成形機器に基づいて、典型的なクラッドの直径は、長さ約１００ｍｍに対して最大２０ｍｍである。プリフォーム２００の中央穴径は通常、成形中のポリマー流動ストレスのため、１ｍｍ以上である。０．５ｍｍ程度の小ささの、プリフォームの穴径を得ることができる。インサートの別の制約は、インサート表面の品質及びＴＰＵへの接着である。表面の品質は、ＴＰＵとシリコーンとの間の光学的境界面、及び何にもまして、最終的なファイバ内部の光誘導損失に、直接影響するであろう。したがって、表面処理は原則として、粗さ及びＴＰＵの接着力を減らすために必要である。クラッドのプリフォームが得られると、標準的な熱ファイバ延伸プロセスにより、毛髪のように細いＴＰＵファイバの細管が実現される。ここで対象となるほとんどの用途に必要なファイバの長さは非常に短い（１０～１５ｃｍ）ので、円錐度及び直径の変動による収縮がより少なく、ひいてはプロセスの制約が緩和される。

小径の細管内へのシリコーンの侵入を実現するための試験を行い、１５μｍの中央穴２００２及び１２５μｍの外径を有する、ガラス製細管２０００を使用した。シリンジによる技法を使用して、長さ約１００ｍｍのシリコーンを射出することが可能である。真空ポンプによる技法をシリンジと共に使用して、１００ｍｍ以上の侵入深さを実現させることが可能である。細管の内壁の湿潤性を修正することにより、ひいては細管の充填する力の助けを借りて、初期の侵入長さが改善される。加えて、より高性能な真空ポンプを使用し、ファイバの反対側でシリンジの効率を高めることにより、最大２０～４０ｍｍのファイバ長にわたる侵入深さを実現することができる。

本発明に従って実現される光ファイバ１は、以下の特性を有している。

コア材料は、一般にＬＥＤ液体封入材として使用されるシリコーンでできている。このシリコーンは、Ｃａｐｌｉｎｑ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（カナダ）によって商品化されている、ＯＰＴＯＬＩＮＱの商標の、ＯＬＳ－５２９１タイプのシリコーンである。実現したコアの寸法は、以下の通りであった。

クラッド材料は、ＢＡＳＦ社の１１８５Ａ ＴＰＵなどの、非常に柔軟なグレードに見ることができるＴＰＵポリマーであった。実現したクラッドの寸法は２００μｍであり、コアの直径は５０μｍで、ファイバ１の長さは２５０ｍｍであった。ファイバは、高い開口数０．３２を有していた。実現したファイバ１を、著しい光損失なしに、約５０％伸張すること、すなわち光ファイバを最大３７５ｍｍまで伸ばすことが可能であった。ファイバ１の開口数が大きいため、曲げ損失は２０～３０％未満であった。これは、ＰＭＭＡファイバなどの従来技術の、他のポリマーベースのファイバでは、実現することはできない。

また、試験は、本発明の光ファイバ１を圧潰しても、光ファイバの機械的又は光学的特性が変化しないことを示した。光ファイバは、たとえば、２０Ｎ～３０Ｎの横方向の力を加えても、機械的又は光学的特性のいかなる変化もなく、元の光ファイバの形状に戻った。

光導波路１の光透過率を、光学ベンチを用いて測定した。

６３３ｎｍでの減衰量は、０．２～０．３ｄＢ／ｃｍであった。１３００ｎｍでの減衰量は、０．３～０．５ｄＢ／ｃｍであり、１５５０ｎｍでの典型的な減衰量は、０．６～０．９ｄＢ／ｃｍであった。

本発明の光導波路は、長さが典型的に１００ｍｍより短い場合、一部のＵＶ用途に使用することができる。ＵＶでは、長さ５０ｍｍで、３００ｎｍでの透過率の推定値が、約３０～６０％であったが、透過率の値は、使用されるポリマーのタイプ、及びもちろんＵＶ波長によって大きく異なり得る。３００ｎｍ未満の透過率は、典型的には、ファイバの長さが約５０ｍｍの場合、２０～１０％未満である。

本発明の導波路１の用途
本発明の光導波路１の重要な用途のうちの１つは、インプラント、より詳細には蝸牛インプラントに関する。光導波路１は、蝸牛インプラントの先端に配置される、圧力センサの先端に実装されている。導波路１は、偶発的な蝸牛内の構造上の損傷を最小限に抑えるよう意図されている。最近の研究では、埋込み中に、蝸牛の密閉された空間に電極アレイを挿入することで生じる、深刻なインパルス外傷を引き起こす音声レベルに相当する、圧力パルスについて実証されている。本発明の光導波路１を実装する解決策は、手術の信頼性及び柔軟性を高め、埋込みの重要なプロセスの際のどんな失敗も回避することによって、インプラントの品質も高めるであろう。手術を含む蝸牛インプラントのコストは、３０，０００～５０，０００米ドルの間で変動する可能性がある。まれではあるが、手術の失敗は、患者の回復時間の後に２回目の手術をさせることになり、一方で、インプラントの機能不全（構造上の損傷による）も同様に、場合によっては起こり得る。さらに、蝸牛内の残存する構造体及び神経組織は、患者が体験する音質に大きく関係する。挿入プロセスは、外科医の操作及び重要な膜を貫通させることによって引き起こされる圧力パルスのせいで、この構造体に非常に外傷を与える可能性がある。新規の光ファイバ技法は、外科手技に革命をもたらし、線維化する組織の成長を抑え、また将来の再生医療を成功させ、治療効果を高めるために、蝸牛の状態を維持することができる。さらに、埋込型光学技術は、生理学的パラメータを継続的に監視することにより、術後のリハビリを改善することもできる。本発明の光導波路により、重要な生理学的パラメータ又は環境パラメータのフィードバック測定を可能にすることで、インプラントの失敗ばかりでなく手術の失敗も劇的に減らすことができる。本発明の光導波路はさらに、生理学的パラメータの長期的且つ高度に局所化した監視への扉を開く。これは、医学的問題を早期に発見することを可能にし、このようにして可能性のある埋込み後の外傷及びその結果として生じる手術を最小限に抑えることを可能にするので、非常に興味深いものである。また、インプラント及び手術に必要な消耗品の信頼性を高めることにより、廃棄物を削減するための解決策も提供する。廃棄物の可能性のある減少は、引き続き、埋込みの失敗及び失敗により起こり得る外傷を減らすことによって、またさらに、長期的な観点から重要な手術が起こらないようにすることによって、埋込み作業のエネルギー効率を明らかに高める。

本発明の光導波路１から利益を得る可能性のある他の重要な用途は、排他的ではないが、以下の通りである。
－ 眼科。光導波路１を使用した感圧デバイスは、白内障手術に有用である。
－ 脊椎外傷学。手術後の圧力監視（椎骨又は椎間板置換）。
－ 心臓外傷学。心臓発作後の血流及び血圧監視、局所的な顕微鏡手術。
－ 心臓外科、整形外科、泌尿器科、及び神経科。
－ セキュリティ及び偽造用途。
－ 工業用センサ用途。

本発明の導波路の様々な用途が、まったく新しいクラスの光導波路として、新しい市場を生み出す可能性がある。一実例として、導波路１上に、どんな追加のセンサも必要とせずに導波路の感度を向上させる、ブラッグ格子が設けられてもよい。本発明の導波路１は、説明されたように、インプラント製造業者が、感知用に使用できるが、ガラス光ファイバを使用すると危険な遠隔の場所に光を導くために、使用することもできる。本発明の光導波路１は、たとえば参考文献１５で説明されているようなファン／イン－ファン／アウト・システムにも、使用することができる。

さらに他の用途は、装飾照明デバイスを対象とする。ＴＰＵクラッドなどのＴＰＥは、拡散粒子をドープされてもよい。一実例では、光導波路の一部分を引っ張ることにより、コアのサイズが小さくなった部分で、光を多少目に見えるようにすることができる。他の用途では、本発明の光導波路１上にブラッグ格子が配置されてもよく、これは、たとえばＳｉＯ２ベースの光導波路又はファイバを置き換えることを可能にする。かかる導波路１は、ＳｉＯ２の熱膨張が実質的に存在しない、極低温用途で使用することができる。

背景情報及び参考文献

Claims (29)

1. 長手方向軸Ｚを画定するコア層（１０）と、前記コア層（１０）を囲繞するクラッド層（２０）とを備え、前記コア層（１０）及び前記クラッド層（２０）が、前記長手方向軸Ｚに沿って、１８０ｎｍより長い波長を有する光ビーム（１００）を透過させるよう構成され、
   － 前記コア層（１０）が、第１の屈折率（ｎ１）を有する第１の材料でできており、
   － 前記クラッド層（２０）が、前記第１の屈折率（ｎ１）より小さい第２の屈折率（ｎ２）を有する、熱可塑性エラストマー（ＴＰＥ）でできた、少なくとも１つの層でできている、
   光導波路（１）。
2. 前記熱可塑性プラスチック（ＴＰＥ）の少なくとも１つの層が、スチレンブロックコポリマー（ＴＰＥ－ｓ）、熱可塑性ポリオレフィンエラストマー（ＴＰＥ－ｏ）、熱可塑性加硫物（ＴＰＥ－ｖ若しくはＴＰＶ）、熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）、熱可塑性コポリエステル（ＴＰＥ－Ｅ）、熱可塑性ポリアミド（ＴＰＥ－Ａ）、又は分類されていない熱可塑性エラストマー（ＴＰＺ）のうちの１つである、請求項１に記載の光導波路（１）。
3. 前記光導波路（１）が光ファイバ（１）である、請求項１又は２に記載の光導波路（１）。
4. 前記光ファイバがモノモード光ファイバ（１）である、請求項２に記載の光導波路（１）。
5. 第１の幅（Ｗ１）を有する第１の横側面（１ｃ）と、前記第１の幅（Ｗ１）よりも大きい第２の幅（Ｗ２）を有する第２の側面（１ｂ）とを有し、前記幅（Ｗ１、Ｗ２）が、前記長手方向軸Ｚに直交する平面（Ｘ－Ｙ）で画定される、任意の横断面で画定されている、請求項１又は２に記載の光導波路（１）。
6. 前記コア層（１０）が、ポリマーでできている、請求項１から５までのいずれか一項に記載の光導波路（１）。
7. 前記コア層（１０）が、シリコーンでできている、請求項６に記載の光導波路（１）。
8. 前記コア層（１０）の屈折率が１であり、前記クラッド層（２０）の内面が、前記コア層内に入力結合される光を反射するよう配置された、金属層及び／又は誘電体層を備える、請求項１又は請求項３から７までのいずれか一項に記載の光導波路（１）。
9. 少なくとも１つの長手方向平面（Ｘ－Ｚ、Ｙ－Ｚ）で画定される、１００未満のモード、好ましくは２０未満のモード、より好ましくは５未満のモードを誘導するよう構成される、請求項５から１０までのいずれか一項に記載の光導波路（１）。
10. 前記光導波路（１）が、少なくとも２つの相異なる断面（４２、４４）を有する、先細の光導波路である、請求項１から９までのいずれか一項に記載の光導波路（１）。
11. 出力結合光（１２０）の強度（Ｉ２）と入力結合光（１１０）の強度（Ｉ１）との比Ｉ２／Ｉ１として定義される光透過率（Ｔ０）が、１８０ｎｍから２５μｍの間の波長を有する入力結合光に対して５０％を超え、前記光導波路（１）が、２ｍ未満、好ましくは０．５ｍ未満、より好ましくは０．２５ｍ未満の長さを有する、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の光導波路（１）。
12. 前記光透過率（Ｔ０）が、３００ｎｍから５μｍの間、好ましくは３５０ｎｍから２μｍの間、さらにより好ましくは４００ｎｍから７００ｎｍの間の波長を有する入力結合光に対して８０％を超え、好ましくは９０％を超える、請求項１１に記載の光導波路（１）。
13. 前記光導波路（１）の長さ（Ｌ）の少なくとも１０％、好ましくは少なくとも２０％、より好ましくは少なくとも３０％まで、弾性的に伸縮可能であるよう構成され、これにより、光透過率（Ｔ２）が、伸張された後、伸張される前の前記光導波路（１）の前記透過率（Ｔ０）の少なくとも９０％で保持される、請求項１から１２までのいずれか一項に記載の光導波路（１）。
14. 少なくとも２つのコア層（１０）を備える、請求項１から１３までのいずれか一項に記載の光導波路（１）。
15. 請求項１から１４までのいずれか一項に記載の少なくとも３つの光導波路（１ａ、１ｂ、１ｃ）を備える、光導波路束（３００）。
16. 請求項１から１５までのいずれか一項に記載の少なくとも１つの光導波路（１）を備える、医療デバイス。
17. 前記デバイスが、蝸牛インプラント（６００）である、請求項１５に記載の医療デバイス。
18. 請求項１から１５までのいずれか一項に記載の少なくとも１つの光導波路（１）と、前記光導波路に配置された光空洞センサ・ヘッド（５００）とを備え、前記センサ・ヘッド（５００）が、可撓性の膜（５３０）によって閉じられた光空洞（５０２）を備える、光センサ。
19. 請求項１から１５までのいずれか一項に記載の光導波路（１）の製造方法であって、
    Ａ）熱可塑性エラストマー（ＴＰＥ）でできた、中空プリフォーム（２００）を実現するステップと、
    Ｂ）所定の長さ（Ｌ）及び所定の断面（４０、４１）を有する細管（２０００）が形成されるまで、前記プリフォーム（２００）の直径を小さくし、前記プリフォームを伸長するステップであって、前記細管が、所定の断面（３０）を有する中央開口（２２０）を有する、伸長するステップと、
    Ｃ）前記プリフォームの前記中央開口（２２０）内に、液体シリコーン（１１）を導入するステップと、
    Ｄ）前記液体シリコーンを重合して、重合された液体シリコーン（１１）でできたコア（１０）を有する、光導波路（１）を形成するステップと
    を含む、製造方法。
20. ステップＣ及びＤが、
    Ｅ）前記プリフォームの直径を小さくする前記ステップＢの間に、液体シリコーン（１１）を導入するステップと、
    Ｆ）前記プリフォーム（２００）の直径を小さくするステップの間、前の形の光導波路が、所定の長さ（Ｌ）及び所定の断面（４０、４１）を得るまで、前記液体シリコーンを液体の状態に保持するステップと、
    Ｇ）光導波路（１）を形成するために、前記液体シリコーン（１１）及び前記細管（２０００）を熱重合するステップと
    によって置き換えられる、請求項１９に記載の製造方法。
21. ステップＢ、Ｃ、及びＤが、
    Ｈ）前記ステップＡの後、液体ポリマー（１１）を、前記中空プリフォーム（２００）の中央開口部（２０２）内に導入するステップと、
    Ｉ）液体ポリマー（１１）で充填された前記プリフォーム（２００）の直径を小さくし、液体ポリマー（１１）で充填された細管（２０００）が形成されるまで、前記充填されたプリフォーム（２００）を伸長するステップであって、前記細管が、所定の長さ（Ｌ）及び所定の断面（４０、４１）を有する、伸長するステップと、
    Ｊ）ＵＶ光を当てて、前記液体ポリマーを重合するステップと
    によって置き換えられる、請求項１９に記載の製造方法。
22. 前記液体ポリマーが液体シリコーンである、請求項２１に記載の方法。
23. 前記液体ポリマーが液体シロキサンである、請求項２１に記載の方法。
24. 前記得られた光導波路（１）が、マルチモード光ファイバ又はモノモード光ファイバである、請求項１９から２３までのいずれか一項に記載の製造方法。
25. 前記得られた導波路が、マルチコア光ファイバである、請求項１９から２４までのいずれか一項に記載の製造方法。
26. 前記得られた導波路が、任意の横方向の平面（Ｘ－Ｙ）で画定される、円形でない断面を有する光導波路である、請求項１９から２５までのいずれか一項に記載の製造方法。
27. 前記熱可塑性プラスチック（ＴＰＥ）が、スチレンブロックコポリマー（ＴＰＥ－ｓ）、熱可塑性ポリオレフィンエラストマー（ＴＰＥ－ｏ）、熱可塑性加硫物（ＴＰＥ－ｖ、ＴＰＶ）、熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）、熱可塑性コポリエステル（ＴＰＥ－Ｅ）、熱可塑性ポリアミド（ＴＰＥ－Ａ）、又は分類されていない熱可塑性エラストマー（ＴＰＺ）のうちの１つであり、前記熱可塑性プラスチックが、ＩＳＯ規格１８０６４に従って規定されている、請求項１９から２６までのいずれか一項に記載の製造方法。
28. 外科手術中の手術用器具と関連する、請求項１から１４までのいずれか一項に記載の光導波路（１）の使用法。
29. 前記手術用器具の位置を特定する追跡、及び／又は前記手術用器具の先端付近の組織の光学特性の追跡にある、請求項２８に記載の使用法。

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