JP5707536B2 - スロット付き光ファイバならびにスロット付き光ファイバのための方法および装置 - Google Patents

Description

周囲媒質の変化をセンシングするために光ファイバを使用することができる。温度、圧力、音、屈折率などのさまざまな要素の変化を測定または検出するために、光センサが使用されている。光センサは、媒質内の分析対象の存在を検出するために用いることもできる。多くの場合、これらの特性は、周囲に配置された光導波路に沿って光が伝搬する際に、その光の透過（または反射）スペクトルを監視することによって検出される。ある光ファイバは、取り囲んでいる周囲媒質にエバネッセント場によって浸透する光学モードにより、光導波路を伝搬する光の変化の検出に基づいて、エバネッセントセンサとして機能する。

上記の概要は例示でしかなく、限定することは全く意図していない。記載する例示の態様、実施形態、および特徴に加えて、さらなる態様、実施形態、および特徴が、図面および以下の詳細な説明を参照することによって明らかになろう。

本明細書に開示されたいくつかの実施形態は、第１の部分、第２の部分、および第１の部分と第２の部分との間に配置された少なくとも１つのスロットを含む光ファイバを含み、スロットは、光ファイバの長手方向軸に沿って延びる。いくつかの実施形態において、長手方向軸に対して垂直な光ファイバの断面は、約４μｍ以下の最大寸法を有する。いくつかの実施形態において、スロットは、約５ｎｍから約５００ｎｍの幅と、少なくとも約１０ｎｍの深さとを有する。

いくつかの実施形態において、光ファイバは、光ファイバの長手方向軸に沿って延び、光ファイバの第１の部分に隣接する第１の面を含む。いくつかの実施形態において、光ファイバは、光ファイバの長手方向軸に沿って延び、光ファイバの第２の部分に隣接する第２の面を含む。いくつかの実施形態において、第１の面はほぼ平面である。いくつかの実施形態において、第２の面はほぼ平面である。

いくつかの実施形態において、第１の面は、光ファイバの外表面から光ファイバの内部領域まで、長手方向軸に対して垂直な軸に沿って延びる。いくつかの実施形態において、第２の面は、光ファイバの外表面から光ファイバの内部領域まで、長手方向軸に対して垂直な軸に沿って延びる。いくつかの実施形態において、第１の面と第２の面は概ね平行である。

いくつかの実施形態において、スロットは、第１の面と第２の面との間に延びる第３の面を含む。いくつかの実施形態において、第３の面は概ね平らである。

いくつかの実施形態において、第１の面と第３の面は、約３０°から約１５０°の第１の角をなす。いくつかの実施形態において、第１の角は約９０°である。いくつかの実施形態において、第２の面と第３の面は、約３０°から約１５０°の第２の角をなす。いくつかの実施形態において、第２の角は約９０°である。

いくつかの実施形態において、第１の面と第２の面が交わって頂点をなす。いくつかの実施形態において、第１の面と第２の面が、約１５°から約１２０°の角をなす。いくつかの実施形態において、頂点は、光ファイバを二等分する面に沿って配置されている。いくつかの実施形態において、頂点は、光ファイバの中心軸の周りに位置する。

いくつかの実施形態において、光マイクロファイバの中心軸は、スロット内に少なくとも部分的に配置されている。いくつかの実施形態において、光ファイバは、光ファイバの長手方向軸に沿ったほぼ面対称の平面を有する。

いくつかの実施形態において、スロットは、少なくとも約５０μｍの長さを有する。いくつかの実施形態において、光ファイバの長さはスロットの長さよりも長い。いくつかの実施形態において、光ファイバは、少なくとも約５０μｍの長さを有する。

いくつかの実施形態において、光ファイバは、第３の部分と、第２の部分と第３の部分との間に配置された第２のスロットとを有する。いくつかの実施形態において、第２のスロットは、約５ｎｍから約５００ｎｍの幅と、少なくとも約１０ｎｍの深さとを有する。いくつかの実施形態において、スロットの幅は、第２のスロットの幅とほぼ同じである。

いくつかの実施形態において、スロットの幅は、第２のスロットの幅とは異なる。いくつかの実施形態において、スロットの深さは、第２のスロットの深さとほぼ同じである。いくつかの実施形態において、スロットの深さは、第２のスロットの深さとは異なる。

いくつかの実施形態において、光ファイバは３つ以上のスロットを有する。

いくつかの実施形態において、光ファイバは、ポリマー、ケイ素、シリカ、またはそれらの組み合わせを含む。

いくつかの実施形態において、光ファイバは、１５５０ｎｍの波長において約２ｄＢ／ｋｍ以下の減衰係数を有する。

いくつかの実施形態において、光ファイバは、光ファイバの外表面に配置された複数の格子を含む。いくつかの実施形態において、格子は、光ファイバの長手方向軸に沿って、繰り返し間隔で配置されている。

本明細書に開示するいくつかの実施形態は、媒質の特性をセンシングする方法を含む。いくつかの実施形態において、方法は、媒質に隣接して配置される光ファイバを提供することと、光ファイバの第１の端から光ファイバの第２の端に、光ファイバを介して光を伝送することと、光ファイバからの光の少なくとも１つの特性を測定することとを含む。いくつかの実施形態において、光ファイバは、第１の部分、第２の部分、および第１の部分と第２の部分との間に配置された少なくとも１つのスロットを含む。いくつかの実施形態において、スロットは、光ファイバの長手方向軸に沿って延びる。いくつかの実施形態において、長手方向軸に対して垂直な光ファイバの断面は、約４μｍ以下の最大寸法を有する。いくつかの実施形態において、スロットは、約５ｎｍから約５００ｎｍの幅を有する。いくつかの実施形態において、スロットは、少なくとも約１０ｎｍの深さを有する。

いくつかの実施形態において、光ファイバからの光の少なくとも１つの特性は、輝度、位相、または偏光である。いくつかの実施形態において、方法は、光ファイバからの光の少なくとも１つの特性を、媒質の少なくとも１つの特性に対応付けることを含む。いくつかの実施形態において、方法は、光ファイバからの光の少なくとも１つの特性の変化を、媒質の少なくとも１つの特性の変化に対応付けることを含む。

いくつかの実施形態において、媒質の少なくとも１つの特性は、媒質内の少なくとも１つの構成要素の温度、圧力、張力、屈折率、または濃度である。

本明細書に開示するいくつかの実施形態は、センシングデバイスを含む。いくつかの実施形態において、センシングデバイスは、光源と、光源からの光の少なくとも一部分を第１の端において受光し、光を第２の端に送出するように構成された光ファイバと、光ファイバの第２の端からの光の少なくとも一部分を受光し、光ファイバからの光の少なくとも１つの特性を測定するように構成された光検出器とを含む。いくつかの実施形態において、光ファイバは、第１の部分、第２の部分、および第１の部分と第２の部分との間に配置された少なくとも１つのスロットを含む。いくつかの実施形態において、スロットは、光ファイバの長手方向軸に沿って延びる。いくつかの実施形態において、長手方向軸に対して垂直な光ファイバの断面は、約４μｍ以下の最大寸法を有する。いくつかの実施形態において、スロットは、約５ｎｍから約５００ｎｍの幅を有する。いくつかの実施形態において、スロットは、少なくとも約１０ｎｍの深さを有する。

いくつかの実施形態において、光ファイバからの光の少なくとも１つの特性は、輝度、位相、または偏光である。

いくつかの実施形態において、センシングデバイスは、光ファイバの透過の前に光を偏光させるように構成された偏光子を含む。

いくつかの実施形態において、センシングデバイスは、光源からの光を２つ以上のビームに分割するように構成されたスプリッタを含み、少なくとも１つのビームは、光ファイバを透過するようには構成されていない。

いくつかの実施形態において、センシングデバイスは、光検出器に結合され、光ファイバからの光の少なくとも１つの特性に対応する信号を受信するように構成されたプロセッサを含む。いくつかの実施形態において、プロセッサは、光ファイバからの光の少なくとも１つの特性を、光ファイバに隣接する媒質の少なくとも１つの特性に対応付けるように構成されている。いくつかの実施形態において、プロセッサは光源に結合されており、光源からの光の少なくとも１つの特性に対応する信号を送信および／または受信するように構成されている。

本開示の上記およびその他の特徴は、以下の説明および添付の特許請求の範囲を添付の図面と併せて参照すると、より明らかになる。これらの図面は、本開示によるいくつかの実施形態のみを描いたものであり、その範囲を限定するものとして解釈されるべきではないことが理解された上で、添付の図面を用いて本開示をさらに具体的かつ詳細に説明する。

本出願の範囲内にある光ファイバの例示的な実施形態を示す上面図である（原寸通りではない）。 本出願の範囲内にある光ファイバの例示的な実施形態を示す斜視図である（原寸通りではない）。 本出願の範囲内にある光ファイバの例示的な実施形態を示す断面図である（原寸通りではない）。 ２つの面を備えるスロットを有する光ファイバの例示的な実施形態の断面を示す図である（原寸通りではない）。 湾曲面を備えるスロットを有する光ファイバの例示的な実施形態の断面を示す図である（原寸通りではない）。 ２つのスロットを有する光ファイバの例示的な実施形態の断面を示す図である（原寸通りではない）。 対向する両側に２つのスロットを有する光ファイバの例示的な実施形態の断面を示す図である（原寸通りではない）。 ４つのスロットを有し、４回の回転対称がある光ファイバの例示的な実施形態の断面を示す図である（原寸通りではない）。 さまざまなスロット付き光ファイバの複屈折対光ファイバの半径を示すグラフである。光ファイバ内のスロットは、５０ｎｍまたは１００ｎｍに固定し、スロットの深さは光ファイバの半径に等しいか、またはその半分とした。 光ファイバの半径に対する光ファイバの感度を示すグラフである。各ファイバのスロットの深さは、光ファイバの直径とほぼ同じにした。 半径を変化させたときのｘ偏光モードとｙ偏光モードの両方について、スロット付き光ファイバ（ＳＯＦ）対スロット無し光ファイバ（ＮＳＯＦ）の感度の比率を示すグラフである。

以下の詳細な説明においては、本出願の一部をなす添付の図面を参照する。図面において、同様の記号は通常、文脈からそうでないことが明らかでない限り、同様の構成要素を識別する。詳細な説明に記載する例示的な実施形態、図面、および特許請求の範囲は、限定を意味するものではない。本明細書に提示する主題の趣旨または範囲を逸脱することなく、他の実施形態が使用されてもよく、他の変更がなされてもよい。全体が本明細書に記載され、図面に示される本開示の態様は、広範囲のさまざまな構成に配置、置換、結合、および設計することができ、そのすべてが明示的に企図されており、本開示の一部をなすことが容易に理解されよう。

本明細書に開示されるのは、光ファイバの長手方向軸に沿って延びる少なくとも１つのスロットを含む光ファイバである。光ファイバは、たとえば約２μｍ以下の半径を有していてもよい。スロットは、たとえば約５ｎｍから約５００ｎｍの幅および少なくとも約１０ｎｍの深さを有していてもよい。光ファイバは、いくつかの実施形態において、媒質の１つまたは複数の特性のセンシングを向上させるために、広いエバネッセント場を作り出してもよい。光ファイバは、いくつかの実施形態において、媒質の１つまたは複数の特性のセンシングを向上させるために、大きい複屈折を作り出してもよい。

スロット付きのマイクロファイバ
本明細書に開示するいくつかの実施形態は、１つまたは複数のスロットを有する光ファイバを含む。図１Ａは、本出願の範囲内にある光ファイバの一例の上面図を示す。光ファイバ１００は、光ファイバ１００の長手方向軸に沿って（たとえば、図１Ａに示したｘ軸に沿って）延びるスロット１１０を有する。光ファイバ１００は、長手方向軸に沿った長さＬ_１を有し得る。スロット１１０は、長手方向軸に沿って延びる長さＬ_２を有し得る。スロット１１０は、長手方向軸に対して垂直に（たとえば、図１Ａに示したｙ軸に沿って）延びる幅Ｗも有し得る。光ファイバ１００の長手方向軸に沿ったスロット付き部分１１２はスロット１１０を含み、光ファイバ１００の第１のスロット無し部分１１４ａおよび第２のスロット無し部分１１４ｂは、スロット１１０を含んでいない。図１Ｂは、スロット１１０を有する光ファイバ１００の斜視図を示す。

図１Ｃは、光ファイバ１００の長手方向軸に対して垂直な、光ファイバ１００の中点の周りの断面図を示す。光ファイバ１００は、半径Ｒをもつ円形の断面を有し得る。スロット１１０は、長手方向軸および幅Ｗの両方に対して垂直に（たとえば、図１Ｃに示したｚ軸に沿って）延びる深さｄを有し得る。スロット１１０は、光ファイバ１００の第１の部分１２０と第２の部分１３０との間に配置される。スロット１１０は、光ファイバ１００の長手方向に沿ってそれぞれ延びる第１の面１４０、第２の面１５０、および第３の面１６０を有し得る。第１の面１４０と第３の面１６０は、第１の頂点１７０で交わって角θ_１をなし、第２の面１５０と第３の面１６０は、第１の頂点１８０で交わって角θ_２をなす。第１の面１４０は、光ファイバ１００の外表面１９０から第１の頂点１７０まで延び、第２の面１５０は、光ファイバ１００の外表面１９０から第２の頂点１８０まで延びる。

光ファイバ（たとえば、図１Ａ〜Ｃに示した光ファイバ１００）の形状および寸法は特に制限されず、たとえば所望のセンサ構成に基づいて選択されてもよい。たとえば、光ファイバの長さ（たとえば、図１Ａ〜Ｃに示した光ファイバ１００の長さＬ_１）は、センサの所望の感度などのさまざまな要因に応じて変化し得る。光ファイバの長さは、一般に任意の長さであってもよく、たとえば、少なくとも約５０μｍ、少なくとも約７５μｍ、少なくとも約１００μｍ、少なくとも約２５０μｍ、または少なくとも約５００μｍであってもよい。光ファイバの長さは、たとえば、約１ｍ以下、約１０ｃｍ以下、約１ｃｍ以下、約５ｍｍ以下、約１ｍｍ以下、または約５００μｍ以下であってもよい。いくつかの実施形態において、光ファイバは、少なくとも約５０μｍの長さを有していてもよい。いくつかの実施形態において、光ファイバは、約５０μｍから約１ｍの長さを有していてもよい。

本明細書では、「スロット無し断面」は、長手方向軸に対して垂直であり、スロットを含んでいない光ファイバの断面を指す（たとえば、図１Ａ〜Ｂにおいて第１のスロット無し部分１１４ａおよび第２のスロット無し部分１１４ｂで示してある）。スロット無し断面は、さまざまな形状を有することができ、特に制限はない。たとえば、スロット無し断面は、円形、楕円形、多角形などであってもよい。いくつかの実施形態において、この断面は円形である。いくつかの実施形態において、スロット無し断面は楕円形である。いくつかの実施形態において、スロット無し断面は、３辺以上（たとえば、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、またはそれ以上の辺）をもつ多角形である。いくつかの実施形態において、スロット無し断面には、２回、３回、４回、５回、６回、またはそれ以上の回数の回転対称があり得る。

スロット無し断面の最大寸法とスロット無し断面の最小寸法の比率は、たとえば、少なくとも約１：１、少なくとも約１．２：１、少なくとも約１．３：１、少なくとも約１．５：１、または少なくとも約２：１であってもよい。断面の最大寸法と断面の最小寸法の比率は、たとえば、約５：１以下、約３：１以下、約２：１以下、約１．５：１以下、約１．３：１以下、または約１．１：１以下であってもよい。いくつかの実施形態において、断面の最大寸法と断面の最小寸法の比率は約１：１から約５：１である。いくつかの実施形態において、断面の最大寸法と断面の最小寸法の比率は約１：１である。

光ファイバのスロット無し断面の最大寸法は、可変であってもよい。光ファイバのスロット無し断面の最大寸法は、たとえば、約４μｍ以下、約３．５μｍ以下、約３μｍ以下、約２．５μｍ以下、約２μｍ以下、約１．５μｍ以下、または約１μｍ以下であり得る。光ファイバのスロット無し断面の最大寸法は、たとえば、少なくとも約５０ｎｍ、少なくとも約１００ｎｍ、少なくとも約２５０ｎｍ、少なくとも約５００ｎｍ、少なくとも約８００ｎｍ、少なくとも約１μｍ、少なくとも約１．５μｍ、または少なくとも約２μｍであり得る。いくつかの実施形態において、光ファイバのスロット無し断面の最大寸法は、約４μｍ以下である。いくつかの実施形態において、光ファイバのスロット無し断面の最大寸法は、約５０ｎｍから約４μｍである。

スロット無し断面は、いくつかの実施形態において、スロットのない部分において長手方向軸に沿ってほぼ同一であってもよい。たとえば、スロット無し断面は、光ファイバの長さに沿って一定の半径（たとえば、約１μｍの半径）を有する円であってもよい。いくつかの実施形態において、スロット無し断面の最大寸法（または直径）は、光ファイバに沿ったスロット無し断面の最大寸法の平均から約２５％未満のずれ（または約１０％未満のずれ）を有し得る。いくつかの実施形態において、スロット無し断面の面積は、光ファイバのスロット無し断面に沿ってほぼ同じであり得る。たとえば、スロット無し断面の面積は、光ファイバに沿ったスロット無し断面の平均面積から約２５％未満のずれ（または約１０％未満のずれ）を有し得る。

本明細書では、「スロット付き断面」は、長手方向軸に対して垂直であり、スロットを含む光ファイバの断面を指す（たとえば、図１Ａ〜Ｂにおいてスロット付き部分１１２で示してある）。スロット付き断面の形状も特に制限されていない。いくつかの実施形態において、スロット付き断面の形状は、スロット無し断面の形状と一致する。すなわち、スロット付き断面とスロット無し断面との形状の差は、スロットによる。一例として、スロット無し断面は、直径が約２μｍの円形の断面を有することができ、スロット付き断面は、直径が２μｍで、内部にスロットが形成された円であることができる。いくつかの実施形態において、スロット付き断面は、円、楕円、多角形などの中に形成されたスロットを有していてもよい。いくつかの実施形態において、スロット付き断面は、円の内側に向けて形成されたスロットを有する。いくつかの実施形態において、断面は、楕円の内側に向けて形成されたスロットを有する。いくつかの実施形態において、スロット付き断面は、３辺以上（たとえば、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、または２０辺）をもつ多角形の内側に向けて形成されたスロットを有する。いくつかの実施形態において、スロット付き断面には、２回、３回、４回、５回、６回、またはそれ以上の回数の回転対称があり得る。

光ファイバのスロット付き断面の最大寸法は、可変であってもよい。光ファイバのスロット付き断面の最大寸法は、たとえば、約４μｍ以下、約３．５μｍ以下、約３μｍ以下、約２．５μｍ以下、約２μｍ以下、約１．５μｍ以下、または約１μｍ以下であり得る。光ファイバのスロット付き断面の最大寸法は、たとえば、少なくとも約５０ｎｍ、少なくとも約１００ｎｍ、少なくとも約２５０ｎｍ、少なくとも約５００ｎｍ、少なくとも約８００ｎｍ、少なくとも約１μｍ、少なくとも約１．５μｍ、または少なくとも約２μｍであり得る。いくつかの実施形態において、光ファイバのスロット付き断面の最大寸法は、約４μｍ以下である。いくつかの実施形態において、光ファイバのスロット付き断面の最大寸法は、約５０ｎｍから約４μｍである。いくつかの実施形態において、スロット付き断面の最大寸法は、スロット無し断面の最大寸法とほぼ同じである。

本明細書では、明白に別段の定めがない限り、光ファイバの「半径」は、光ファイバの断面の最大寸法の１／２である。一例として、断面は、約３μｍの最大寸法を有し、したがって、約１．５μｍの半径を有する円であってもよい。

光ファイバ内に配置されたスロットの形状は特に制限されず、光ファイバの所望の特性に応じて変わり得る。いくつかの実施形態において、形状および寸法は、スロットが光の導波路として機能するのに効果的なものである。スロットの形状は、たとえば、それぞれが光ファイバの長手方向軸に沿って延びる１つまたは複数の面（たとえば、１つ、２つ、３つ、４つ、５つ、６つ、７つ、８つ、またはそれ以上の面）によって画定されてもよい。

１つまたは複数の面は、平坦面、湾曲面、またはその組み合わせであり得る。いくつかの実施形態において、スロットは、２つ以上の平坦面によって境界を定められる。いくつかの実施形態において、スロットは、光ファイバの外表面から光ファイバの内部領域に延びる第１の面を備える。いくつかの実施形態において、スロットは、光ファイバの外表面から光ファイバの内部領域に延びる第２の面を備える。

いくつかの実施形態において、スロットは、少なくとも２つの面を備える。いくつかの実施形態において、第１の面と第２の面は頂点で交わる。いくつかの実施形態において、第１の面と第２の面は約１２°から約１２０°の角をなす。第１の面と第２の面との間の角の非限定的な例としては、約１２°、約３０°、約６０°、約９０°、約１２０°、またはこれらの値のうちの任意の２つの間である範囲が挙げられる。

図２は、２つの面を含むスロットを有する光ファイバの一例である。光ファイバ２００は、頂点２４０で交わって角θをなす第１の面２２０と第２の面２３０とを含むスロット２１０を有する。第１の面２２０と第２の面２３０の両方は、光ファイバ２００の長手方向軸に沿って（たとえば、図２に示したｘ軸に沿って）延びる。第１の面２２０は、光ファイバ２００の外表面２３５から頂点２４０に延び、第２の面２３０は、光ファイバ２００の外表面２３５から頂点２４０に延びる。スロット２１０はまた、第１の部分２５０と第２の部分２６０との間に配置されている。スロット２１０は、長手方向軸と幅Ｗの両方に対して垂直に（たとえば、図２に示したｚ軸に沿って）延びる深さｄを有し得る。いくつかの実施形態において、角θは、約１２°から約１２０°であり得る。角θの非限定的な例としては、約１２°、約３０°、約６０°、約９０°、約１２０°、またはこれらの値のうちの任意の２つの間である範囲が挙げられる。

いくつかの実施形態において、スロットは、第１の面との頂点を形成する第３の面を含む。第１の面および第３の面は、たとえば、約３０°から約１５０°の角をなしてもよい。第１の面と第３の面との間の角の他の非限定的な例としては、約３０°、約６０°、約９０°、約１２０°、約１５０°、またはこれらの値のうちの任意の２つの間である範囲が挙げられる。いくつかの実施形態において、第３の面は、第２の面との間で頂点を形成する。第２の面および第３の面は、たとえば、約３０°から約１５０°の角をなしてもよい。第２の面と第３の面との間の角の他の非限定的な例としては、約３０°、約６０°、約９０°、約１２０°、約１５０°、またはこれらの値のうちの任意の２つの間である範囲が挙げられる。いくつかの実施形態において、第１の面と第３の面との間の角は、第２の面と第３の面との間の角とほぼ同じである。いくつかの実施形態において、第１の面と第２の面は概ね平行である。

図１Ａ〜Ｃを参照すると、光ファイバ１００は、３つの面を有する光ファイバの一例である。スロット１１０は、３つの面、すなわち、第１の面１４０、第２の面１５０、および第３の面１６０を含む。第１の面１４０と第３の面１６０は、第１の頂点１７０で交わって角θ_１をなし、第２の面１５０と第３の面１６０は、第１の頂点１８０で交わって角θ_２をなす。いくつかの実施形態において、角θ_１は、約３０°から約１５０°であり得る。角θ_１の非限定的な例としては、約３０°、約６０°、約９０°、約１２０°、約１５０°、またはこれらの値のうちの任意の２つの間である範囲が挙げられる。いくつかの実施形態において、角θ_２は、約３０°から約１５０°であり得る。角θ_２の非限定的な例としては、約３０°、約６０°、約９０°、約１２０°、約１５０°、またはこれらの値のうちの任意の２つの間である範囲が挙げられる。いくつかの実施形態において、θ_１とθ_２はほぼ同じか、または同じである。たとえば、θ_１およびθ_２はともに約９０°であってもよい。

いくつかの実施形態において、スロットは、１つまたは複数の湾曲面によって境界を定められる。いくつかの実施形態において、１つまたは複数の湾曲面は、光ファイバの外表面から光ファイバの内部領域に延びていてもよい。いくつかの実施形態において、スロットは、光ファイバの外表面の第１の位置から光ファイバの外表面の第２の位置まで延びてスロットをなす１つの湾曲面を含む。

図３は、湾曲面を備えるスロットを有する光ファイバの一例である。光ファイバ３００は、スロット３１０の境界を定め、光ファイバ３００の長手方向軸に沿って（たとえば、図３に示したｘ軸に沿って）延びる「Ｕ」字形の面３２０を備えるスロット３１０を有する。スロット３１０はまた、第１の部分３３０と第２の部分３４０との間に配置されている。「Ｕ」字形の面３２０はまた、光ファイバ３００の外表面３５０上の２つの位置の間に延びている。スロット３１０は、長手方向軸と幅「Ｗ」の両方に対して垂直に（たとえば、図３に示したｚ軸に沿って）延びる深さ「ｄ」を有し得る。図３は湾曲面を備えるスロットの一例を示すが、多くの他の湾曲面が可能であり、かつ本出願の範囲内にある。

スロットの深さは、光ファイバの特性を変化させるために可変であってもよい（たとえば、図１Ｃに示した深さｄ）。いずれの特定の理論にも縛られないが、深さを大きくすることで、光の複屈折およびエバネッセント場を増すことができると考えられている。深さは、たとえば、少なくとも約１０ｎｍ、少なくとも約５０ｎｍ、少なくとも約１００ｎｍ、少なくとも約２５０ｎｍ、少なくとも約５００ｎｍ、少なくとも約７５０ｎｍ、少なくとも約１μｍ、少なくとも約１．５μｍ、少なくとも約２μｍ、少なくとも約２．５μｍ、少なくとも約３μｍ、または少なくとも約３μｍであり得る。深さは、たとえば、約４μｍ以下、約３．５μｍ以下、約３μｍ以下、約２．５μｍ以下、約２μｍ以下、約１．５μｍ以下、または約１μｍ以下であり得る。いくつかの実施形態において、深さは約１０ｎｍから約４ｎｍである。

深さはまた、光ファイバの断面の最大寸法（または直径）を基準として構成されてもよい。一例として、光ファイバは、２μｍの直径と、深さが１μｍのスロットとを有していてもよい。したがって、深さは、光ファイバの断面の最大寸法の５０％になるはずである。深さは、たとえば、最大寸法の少なくとも約１％、最大寸法の少なくとも約１０％、最大寸法の少なくとも約２０％、最大寸法の少なくとも約３０％、最大寸法の少なくとも約４０％、最大寸法の少なくとも約５０％、最大寸法の少なくとも約６０％、および最大寸法の少なくとも約７０％であり得る。深さはまた、たとえば、最大寸法の約９９％以下、最大寸法の約９０％以下、最大寸法の約８０％以下、最大寸法の約７０％以下、最大寸法の約６０％以下、または最大寸法の約５０％以下であり得る。いくつかの実施形態において、深さは、光ファイバの断面の最大寸法の約１％から約９９％である。いくつかの実施形態において、深さは、光ファイバの断面の最大寸法未満である。

スロットの幅はまた、光ファイバの特性を変化させるために可変であってもよい（たとえば、図１Ｃに示した幅Ｗ）。いずれの特定の理論にも縛られないが、幅を調整することで、光の複屈折およびエバネッセント場を増すことができると考えられている。幅は、たとえば、少なくとも約５ｎｍ、少なくとも約１０ｎｍ、少なくとも約２５ｎｍ、少なくとも約５０ｎｍ、少なくとも約１００ｎｍ、少なくとも約２００ｎｍ、少なくとも約２５０ｎｍ、少なくとも約３００ｎｍ、または少なくとも約４００ｎｍであり得る。幅は、たとえば、約５００ｎｍ以下、約４５０ｎｍ以下、約４００ｎｍ以下、約３００ｎｍ以下、約２５０ｎｍ以下、約２００ｎｍ以下または約１００ｎｍ以下であり得る。いくつかの実施形態において、幅は約５ｎｍから約５００ｎｍである。

幅はまた、光ファイバの断面の最大寸法（または直径）を基準として構成されてもよい。一例として、光ファイバは、２μｍの直径と、幅が５００ｎｍのスロットとを有していてもよい。幅は、光ファイバの断面の最大寸法の２５％になるはずである。幅は、たとえば、最大寸法の少なくとも約０．１％、最大寸法の少なくとも約０．５％、最大寸法の少なくとも約１％、最大寸法の少なくとも約５％、最大寸法の少なくとも約１０％、最大寸法の少なくとも約１５％、最大寸法の少なくとも約２０％、または最大寸法の少なくとも約２５％であり得る。幅は、たとえば、最大寸法の約９９％以下、最大寸法の約９０％以下、最大寸法の約７０％以下、最大寸法の約５０％以下、最大寸法の約４０％以下、または最大寸法の約３０％以下であり得る。いくつかの実施形態において、幅は、光ファイバの断面の最大寸法の約１％から約９９％である。いくつかの実施形態において、幅は、光ファイバの断面の最大寸法未満である。

幅はまた、スロットの深さを基準として構成されていてもよい。一例として、スロットは、１００ｎｍの幅および５００ｎｍの深さを有していてもよく、したがって、幅は深さの２０％である。幅は、たとえば、深さの少なくとも約１％、深さの少なくとも約１０％、深さの少なくとも約２０％、深さの少なくとも約３０％、深さの少なくとも約４０％、深さの少なくとも約５０％、深さの少なくとも約６０％、および深さの少なくとも約７０％であり得る。幅はまた、たとえば、深さの約９９％以下、深さの約９０％以下、深さの約８０％以下、深さの約７０％以下、深さの約６０％以下、または深さの約５０％以下であり得る。いくつかの実施形態において、幅は、スロットの深さの約１％から約９９％である。いくつかの実施形態において、幅はスロットの深さ未満である。

スロットの長さは特に制限されず、光ファイバの長さまでの任意の値を取り得る。スロットの長さは、たとえば、少なくとも約５０μｍ、少なくとも約１００μｍ、少なくとも約１５０μｍ、少なくとも約２００μｍ、少なくとも約２５０μｍ、少なくとも約３００μｍ、または少なくとも約１ｍｍであり得る。スロットの長さは、たとえば、約１ｍ以下、約５０ｃｍ以下、約１０ｃｍ以下、約１ｃｍ以下、約５ｍｍ以下、約１ｍｍ以下、または５００μｍであり得る。いくつかの実施形態において、スロットの長さは、約５０μｍから約１ｍである。いくつかの実施形態において、スロットの長さは光ファイバの長さ未満である。

いくつかの実施形態において、スロットの形状および寸法は、スロットの長さに沿ってほぼ同じであってもよい。たとえば、スロットは、幅、深さ、θ_１、およびθ_２がスロットの長さに沿って（たとえば、図１Ａ〜Ｂに示した光ファイバ１００の長さＬ_２に沿って）すべて一定である図１Ａ〜Ｃに示したように構成されてもよい。いくつかの実施形態において、光ファイバの長手方向軸に対して垂直なスロットの断面積は、スロットの長さに沿ってほぼ同じであり得る。たとえば、光ファイバの長手方向軸に対して垂直なスロットの断面積は、その長さに沿ったスロットの平均断面積から約２５％のずれ（または約１０％未満のずれ）を有し得る。いくつかの実施形態において、光ファイバのスロット付き断面の面積は、スロットの長さに沿ってほぼ同じであり得る。たとえば、スロット付き断面の面積は、スロットの長さに沿ったスロット付き断面の平均面積から約２５％未満のずれ（または約１０％未満のずれ）を有し得る。

光ファイバ内のスロットの相対的な位置は格別限定されてはいない。いくつかの実施形態において、スロットの部分は、光ファイバの長さに沿った中点の周りに位置する（たとえば、スロット１１０の部分が、図１Ａ〜Ｂに示したスロット１１０の長さに沿った中点に位置する）。いくつかの実施形態において、スロットは、光ファイバの断面内の中心に配置されていてもよい。したがって、スロット付き断面は、たとえば、長手方向軸に沿って延び、スロット付き断面の中心を通る少なくとも１つの面がスロットを相等しい部分に二等分するように構成されてもよい。いくつかの実施形態において、スロット付き断面は、光ファイバの長手方向軸に沿って延びる少なくとも１つの面対称の平面を備える。いくつかの実施形態において、スロットは、スロット付き断面の中心を含む。たとえば、深さｄと幅Ｗの両方が、光ファイバ断面の中心がスロット内にあるように、図１Ｃに示した半径Ｒよりも長くなり得る。

光ファイバのいくつかの実施形態は、マイクロファイバ内に２つ以上のスロット（たとえば、２つ、３つ、４つ、またはそれ以上のスロット）を含み得る。２つ以上のスロットは、ほぼ同じ形状であってもよく、同じ形状であってもよく、異なる形状であってもよい。いくつかの実施形態において、２つ以上のスロットは、ほぼ同じ寸法を有する。いくつかの実施形態において、２つ以上のスロットは、異なる寸法を有する。図４は、２つのスロットを有する光ファイバの一例の断面である。光ファイバ４００は、深さがｄ_１で幅がＷ_１の第１のスロット４１０を含む。光ファイバ４００は、深さがｄ_２で幅がＷ_２の第２のスロット４２０も含む。第１のスロット４１０は、光ファイバの第１の部分４３０と第２の部分４４０との間に配置される。第２のスロット４２０は、光ファイバの第２の部分４４０と第３の部分４５０との間に配置される。第１のスロット４１０と第２のスロット４２０は、距離δだけ離すことができる。距離δは、たとえば、少なくとも約１０ｎｍ、少なくとも約２５ｎｍ、少なくとも約５０ｎｍ、少なくとも約１００ｎｍ、少なくとも約２５０ｎｍ、少なくとも約５００ｎｍ、または少なくとも約１μｍであり得る。

いくつかの実施形態において、光ファイバは、光ファイバの対向する両側に２つのスロットを含み得る。図５は、対向する両側に２つのスロットを有する光ファイバの一例の断面である。光ファイバ５００は、深さがｄ_１で幅がＷ_１の第１のスロット５１０を含む。光ファイバ５００は、深さがｄ_２で幅がＷ_２の第２のスロット５２０も含む。第１のスロット５１０は、光ファイバ５００の第１の部分５３０と第２の部分５４０との間に配置される。第２のスロット５２０は、光ファイバ５００の第３の部分５５０と第４の部分５６０との間に配置される。第１のスロット４１０と第２のスロット４２０は、距離δだけ離すことができる。距離δは、たとえば、少なくとも約１０ｎｍ、少なくとも約２５ｎｍ、少なくとも約５０ｎｍ、少なくとも約１００ｎｍ、少なくとも約２５０ｎｍ、少なくとも約５００ｎｍ、または少なくとも約１μｍであり得る。第１のスロット５１０および第２のスロット５２０の寸法および位置は、いくつかの実施形態において、スロット付き断面に２回の回転対称があるように構成されてもよい。

２回、３回、４回、５回、６回、またはそれ以上の回転対称があるさまざまな他の構成が使用できる。図６は、４つのスロットを有し、４回対称の光ファイバの一例の断面である。光ファイバ６００は、第１のスロット６１０、第２のスロット６２０、第３のスロット６３０、および第４のスロット６４０を含む。第１のスロット６１０は、光ファイバの第１の部分６５０と第２の部分６６０との間に配置される。第２のスロット６２０は、光ファイバの第２の部分６６０と第３の部分６７０との間に配置される。第３のスロット６３０は、光ファイバの第３の部分６７０と第４の部分６８０との間に配置される。第４のスロット６４０は、光ファイバの第４の部分６８０と第１の部分６５０との間に配置される。回転対称となる多くの他の構成が使用でき、それらの構成は、本出願の教示によって指針を示された当業者には容易に明らかになるものである。

いくつかの実施形態において、光ファイバのスロット付き断面は２回対称であるか、または回転対称でない。いくつかの実施形態において、光ファイバのスロット付き断面には回転対称でない。回転対称が２回以下のスロット付き断面を設けることによって、スロット付き光ファイバは、増加した複屈折特性を示すことがある。すでに検討したように、複屈折は、媒質の１つまたは複数の特性の変化を検出するために、さまざまなセンシング用途に使用できる。

光ファイバは、一般に光ファイバに、特にセンシング用途の光ファイバに使用される従来の材料から作製することができる。材料は、透明な材料であり得る。いくつかの実施形態において、透明な材料は、光ファイバが光を透過させるように選択され、処理され得る。透明な材料には、たとえば、ガラス（たとえば、シリカ）、ケイ素、ポリマーなどが挙げられる。いくつかの実施形態において、光ファイバは、約１５５０ｎｍの波長において約２ｄＢ／ｋｍ以下の減衰係数を有する。いくつかの実施形態において、光ファイバは、約１５５０ｎｍの波長において約１ｄＢ／ｋｍ以下の減衰係数を有する。いくつかの実施形態において、光ファイバは、約１５５０ｎｍの波長において約０．５ｄＢ／ｋｍ以下の減衰係数を有する。

いくつかの実施形態において、光ファイバは、光ファイバの両端を介して光を受光するか、または送出するために、光ファイバの一端または両端にテーパ付きの光結合器を備えることができる。

いくつかの実施形態において、光ファイバは、外表面にファイバブラッググレーティングを含むこともできる。ファイバブラッググレーティングは、たとえば、温度または歪みの変化を検出するために使用することができる。いずれの特定の理論にも縛られないが、温度または歪みの変化が、格子の間隔および光ファイバの複屈折に影響する可能性があり、それが今度は、光ファイバを透過するか、または光ファイバに反射される光の特性（たとえば、透過光の極性および波長）に影響することがあると考えられている。ファイバブラッググレーティングは、繰り返し間隔（repeating intervals）で配置された２つ以上の格子（たとえば、２、３、４、５、６、７、８、９、１０またはそれ以上の格子）を含み得る。繰り返し間隔は、光ファイバを透過する光の波長とほぼ同じ長さであってもよい。たとえば、繰り返し間隔は、約４００ｎｍから約２０００ｎｍであり得る。繰り返し間隔の非限定的な例としては、約４００ｎｍ、約５００ｎｍ、約６００ｎｍ、約７００ｎｍ、約８００ｎｍ、約９００ｎｍ、約１０００ｎｍ、約１１００ｎｍ、約１２００ｎｍ、約１３００ｎｍ、約１４００ｎｍ、約１５００ｎｍ、約１６００ｎｍ、約１７００ｎｍ、約１８００ｎｍ、約１９００ｎｍ、約２０００ｎｍ、またはこれらの値のうちの任意の２つの間である範囲が挙げられる。格子は、紫外光によって格子を刻み込むなどの標準的な方法を使用して作成することができる。

いくつかの実施形態において、光ファイバは、外表面にファイバブラッググレーティングを含むこともできる。ファイバブラッググレーティングは、たとえば、温度または歪みの変化を検出するために使用することができる。いずれの特定の理論にも縛られないが、温度または歪みの変化が、格子の間隔および光ファイバの複屈折に影響する可能性があり、それが今度は、光ファイバを透過するか、または光ファイバに反射される光の特性（たとえば、透過光の極性および波長）に影響することがあると考えられている。ファイバブラッググレーティングは、繰り返し間隔で配置された２つ以上の格子（たとえば、２、３、４、５、６、７、８、９、１０またはそれ以上の格子）を含み得る。繰り返し間隔は、光ファイバを透過する光の波長とほぼ同じ長さであってもよい。たとえば、繰り返し間隔は、約４００ｎｍから約２０００ｎｍであり得る。繰り返し間隔の非限定的な例としては、約４００ｎｍ、約５００ｎｍ、約６００ｎｍ、約７００ｎｍ、約８００ｎｍ、約９００ｎｍ、約１０００ｎｍ、約１１００ｎｍ、約１２００ｎｍ、約１３００ｎｍ、約１４００ｎｍ、約１５００ｎｍ、約１６００ｎｍ、約１７００ｎｍ、約１８００ｎｍ、約１９００ｎｍ、約２０００ｎｍ、またはこれらの値のうちの任意の２つの間である範囲が挙げられる。格子は、紫外光によって格子を刻み込むなどの標準的な方法を使用して作成することができる。

いくつかの実施形態において、光ファイバは、光ファイバの外表面上に受容器または結合部を含み得る。受容器または結合部は、周囲媒質における分析対象に結合することができ、それが今度は、光ファイバの外表面の光学的性質を変化させる。光ファイバを透過する光スペクトルは、この変化（たとえば、透過するある波長の輝度）によって修正され、周囲における分析対象の存在（または濃度）に対応付けられてもよい。一例として、光ファイバは、１種または複数のタンパク質に対して親和性をもつ抗体を有していてもよい。光ファイバを透過する光のスペクトルに対する変化は、１つまたは複数のタンパク質の濃度に対応付けられてもよい。多くの受容器および結合部は当技術分野でよく知られており、本出願の光ファイバとともに容易に使用することができる。

光ファイバは、当業者に知られている従来の技術を使用して作製されてもよい。光ファイバは、たとえば、熱と絞り加工（ｈｅａｔ−ａｎｄ−ｄｒａｗｉｎｇ）の技術で、標準的な単一のモードファイバにテーパをつけることによって得ることができる。この技術の一例がＢｒａｍｂｉｌｌ，Ｇ．らの「Ｕｌｔｒａ−ｌｏｗ−ｌｏｓｓ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｎａｎｏｔａｐｅｓ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ ｖｏｌ．１２、ｐｐ．２２５８〜２２６３（２００４）に開示されている。次いで、スロットが、集束イオンビーム切削や遠紫外線リソグラフィなどの微細加工技術によって、光ファイバ内に形成され得る。Ｋｏｕ Ｊ．らの「Ｍｉｃｒｏｆｉｂｅｒ−ｐｒｏｂｅ−ｂａｓｅｄ ｕｌｔｒａｓｍａｌｌ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ ｓｅｎｓｏｒ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ．ｖｏｌ．３５、ｐｐ．２３０８〜２３１０（２０１０）およびＫｏｕ Ｊ．らの「Ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄ ｆｉｂｅｒ ｔａｐｅｒ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ ｖｏｌ．１８、ｐｐ．１４２４５〜１４２５０（２０１０）は、マイクロファイバ内に１つまたは複数のスロットを形成するために使用できる処理を開示する刊行物の一部の例である。スロット付き光ファイバを作製するためにさまざまな他の方法が使用されてもよく、本出願はいずれの特定の方法にも制限されない。

スロット付き光ファイバを使用する方法
本明細書に開示されたいくつかの実施形態は、スロット付き光ファイバを使用する方法を含む。この方法は、本出願において開示されたスロット付き光ファイバのいずれかを使用することができる。たとえば、図１〜６に示したスロット付き光ファイバのいずれかが使用されてもよい。スロット付き光ファイバは、媒質の１つまたは複数の特性をセンシングするために、媒質に隣接または接触するように配置され得る。たとえば、この方法は、媒質における少なくとも１つの構成要素の温度、圧力、張力、屈折率、または濃度から選択される、媒質の１つまたは複数の特性を検出するために使用できる。媒質は特に制限されず、たとえば、流体、気体、液体、固体、水溶液、有機溶液、空気などであってもよい。

いくつかの実施形態において、媒質は、輪または円盤などの共振器であり得る。光ファイバは、たとえば、共振器の周りに２回以上巻かれていてもよい。共振器は、異なる材料に接触したときに屈折率の変化を示すことがある。米国特許出願公開第２０１１／００７５９６３号は、光ファイバとともに使用できる共振器のいくつかの例を開示している。いくつかの実施形態において、共振器は、試料媒質を入れるための１つまたは複数のチャネルまたは貯蔵部を有する。光ファイバを透過する光の１つまたは複数の特性に対する変化が、チャネル（複数可）または貯蔵部（複数可）内に用意された試料媒質によって測定または検出できる。

いくつかの実施形態において、この方法は、光ファイバの第１の端から光の第２の端に、光ファイバを介して光を伝送することと、光ファイバからの光の少なくとも１つの特性を測定することとを含み得る。光の特性は、たとえば、輝度、位相、または偏光であり得る。これらの特性は、１つまたは複数の波長において測定され得る。たとえば、８５０ｎｍでの輝度が測定され、媒質の１つまたは複数の特性に対する変化に対応付けられ得る。別の例として、輝度が、光のスペクトル全体の複数の波長（たとえば、少なくとも２つ、少なくとも５つ、少なくとも１０、少なくとも２０、少なくとも５０、またはそれ以上の波長）について測定され、複数の波長の輝度（または相対輝度）に対する変化が、媒質の少なくとも１つの特性に対応付けられてもよい。測定は、１つまたは複数の個々の波長において、または複数波長の範囲にわたって実施され得る。光の１つまたは複数の特性は、たとえば、標準的な光センサ解析器（ｏｐｔｉｃａｌ ｓｅｎｓｏｒ ａｎａｌｙｚｅｒ）（ＯＳＡ）を使用して測定され得る。

光ファイバからの光の測定される波長は、一般に、たとえば約４００ｎｍから約２０００ｎｍの任意の波長であり得る。測定される波長の非限定的な例としては、約４００ｎｍ、約５００ｎｍ、約６００ｎｍ、約７００ｎｍ、約８００ｎｍ、約９００ｎｍ、約１０００ｎｍ、約１１００ｎｍ、約１２００ｎｍ、約１３００ｎｍ、約１４００ｎｍ、約１５００ｎｍ、約１６００ｎｍ、約１７００ｎｍ、約１８００ｎｍ、約１９００ｎｍ、約２０００ｎｍ、またはこれらの値のうちの任意の２つの間である範囲が挙げられる。

いくつかの実施形態において、光ファイバを透過する光は、光の１つまたは複数の特性を測定する前に、１つまたは複数の他の光源に結合されてもよい。たとえば、光ファイバを透過する光は、光ファイバを透過しない参照光に重畳されてもよい。光の特性（たとえば、偏光）は、参照光（たとえば、偏光干渉（ｐｏｌａｒｉｍｅｔｒｉｃ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ））を基準として測定されてもよい。

いくつかの実施形態において、１つまたは複数の波長において光ファイバを透過する光の輝度に対する変化が、媒質の１つまたは複数の特性に対応付けられ得る。いずれの特定の理論にも縛られないが、媒質の特性は、たとえば、媒質によるエバネッセント波の吸収に対応付けられてもよい。吸収が生じる光の波長（または共振）は、光ファイバを透過する光の輝度に対する変化によって観察できる。一方、媒質が吸収する光の輝度または波長に対する変化は、媒質における少なくとも１つの構成要素の温度、圧力、張力、屈折率、または濃度などの、媒質のさまざまな特性に対する変化と対応付けられてもよい。本出願は、光ファイバ内にスロットを有することで、エバネッセント場を増すことができ、それによって媒質の変化に対する感度を高められることの恩恵を受けている。

いくつかの実施形態において、１つまたは複数の波長において光ファイバを透過する光の偏光に対する変化が、媒質の１つまたは複数の特性に対応付けられ得る。いずれの特定の理論にも縛られないが、媒質の特性は、たとえば、光ファイバを透過する光の偏光に対する変化（たとえば、複屈折）に対応付けられてもよい。光の極性は、たとえば、媒質における温度、圧力、または歪みによって変化することがあり、これが光ファイバの複屈折特性を変化させる。本出願は、光ファイバ内にスロットを含むことで、光ファイバの複屈折特性を増すことができ、それによって媒質の変化に対する感度を高められることの恩恵を受けている。

光ファイバを透過する光は特に限定されず、特定の用途に基づいて選択され得る。光は、約４００ｎｍから約２０００ｎｍのピーク発光の少なくとも１つの波長を有していてもよい。ピーク発光の波長の非限定的な例としては、約４００ｎｍ、約５００ｎｍ、約６００ｎｍ、約７００ｎｍ、約８００ｎｍ、約９００ｎｍ、約１０００ｎｍ、約１１００ｎｍ、約１２００ｎｍ、約１３００ｎｍ、約１４００ｎｍ、約１５００ｎｍ、約１６００ｎｍ、約１７００ｎｍ、約１８００ｎｍ、約１９００ｎｍ、約２０００ｎｍ、またはこれらの値のうちの任意の２つの間である範囲が挙げられる。光は、たとえば、半導体光源または広帯域光源などの市販されている光源を使用して発生させられてもよい。光は、光ファイバの透過の前に、場合により、偏光させられるか、またはフィルタリングされてもよい。いくつかの実施形態において、測定された波長のうちの少なくとも１つが、光ファイバを透過する光に対するピーク発光の波長のうちの１つとほぼ同じである。

スロット付き光ファイバを備えるセンシングデバイス
本明細書に開示されたいくつかの実施形態は、１つまたは複数のスロット付き光ファイバを有するセンシングデバイスを含む。スロット付き光ファイバは、本出願に開示された光ファイバのいずれかであり得る。たとえば、図１〜６に示したスロット付き光ファイバのいずれかが使用されてもよい。いくつかの実施形態において、センシングデバイスは、光源、スロット付き光ファイバ、および光検出器を含む。光ファイバは、光源からの光の少なくとも一部分を第１の端で受光し、光ファイバの第２の端に光を送出するように構成されていてもよい。光検出器は、光ファイバの第２の端からの光の少なくとも一部分を受光し、光ファイバからの光の少なくとも１つの特性を測定するように構成されていてもよい。

多くの光検出器が当技術分野で知られており、かつ本出願の範囲内にある。たとえば、光検出器は、標準的な光スペクトル解析器（ｏｐｔｉｃａｌ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ａｎａｌｙｚｅｒ）（ＯＳＡ）であってもよい。いくつかの実施形態において、光検出器は、輝度、位相、および偏光から選択される光の少なくとも１つの特性を測定するように構成されている。光検出器は、たとえば約４００ｎｍから約２０００ｎｍの波長を有する光の１つまたは複数の特性を測定するように構成されていてもよい。光検出器が測定するように構成されていてもよい波長の非限定的な例としては、約４００ｎｍ、約５００ｎｍ、約６００ｎｍ、約７００ｎｍ、約８００ｎｍ、約９００ｎｍ、約１０００ｎｍ、約１１００ｎｍ、約１２００ｎｍ、約１３００ｎｍ、約１４００ｎｍ、約１５００ｎｍ、約１６００ｎｍ、約１７００ｎｍ、約１８００ｎｍ、約１９００ｎｍ、約２０００ｎｍ、またはこれらの値のうちの任意の２つの間である範囲が挙げられる。

光源は特に限定されておらず、市販されているさまざまな光源が使用されてもよい。たとえば、光源は、半導体光源または広帯域光源であり得る。光源は、約４００ｎｍから約２０００ｎｍのピーク発光の少なくとも１つの波長を有する光を発するように構成されていてもよい。光源が発するように構成されていてもよいピーク発光の波長の非限定的な例としては、約４００ｎｍ、約５００ｎｍ、約６００ｎｍ、約７００ｎｍ、約８００ｎｍ、約９００ｎｍ、約１０００ｎｍ、約１１００ｎｍ、約１２００ｎｍ、約１３００ｎｍ、約１４００ｎｍ、約１５００ｎｍ、約１６００ｎｍ、約１７００ｎｍ、約１８００ｎｍ、約１９００ｎｍ、約２０００ｎｍ、またはこれらの値のうちの任意の２つの間である範囲が挙げられる。

その他のさまざまなオプションの構成要素がデバイスに含まれていてもよい。たとえば、デバイスは、光ファイバの透過の前または後に光を偏光させる、１つまたは複数の偏光子を備えていてもよい。偏光子は、光源と一体化されていてもよい。別の例として、デバイスはスプリッタを備えていてもよい。スプリッタは、光源からの光を、光ファイバ内に送出する前に分割することができる。スプリッタからの光の少なくとも１つのビームは、光ファイバを透過するようには構成されていない。いくつかの実施形態において、スプリッタからの分割されたビームの少なくとも２つが、重畳され、（たとえば、偏光干渉を測定するための）光検出器によって受光される。

いくつかの実施形態において、デバイスはまた、光検出器に結合され、光ファイバからの光の少なくとも１つの特性に対応する光検出器からの信号を受信するように構成されたプロセッサを含む。プロセッサはまた、光ファイバからの光の少なくとも１つの特性を、光ファイバに隣接または接触する媒質の少なくとも１つの特性に対応付けるように構成されていてもよい。一例として、プロセッサは、ある波長における光の輝度を媒質の温度に対応付けるデータ、たとえばテーブルなどを含む機械可読なメモリ（たとえば、フラッシュメモリ、コンパクトディスク、磁気ディスクなど）に結合されていてもよい。プロセッサは、光検出器から受信した信号とともにこのデータを使用して、媒質の温度を判定することができる。いくつかの実施形態において、プロセッサは、光源に結合されていてもよく、光源からの光の少なくとも１つの特性に対応する信号を送信および／または受信するように構成されていてもよい。一例として、プロセッサは、光ファイバに入る光を発するタイミング、光の波長、または光の輝度に対応する信号を送信または受信するように構成されていてもよい。プロセッサは、たとえば、光検出器および／または光源と一体化されていてもよい。

本明細書における実質的にすべての複数形および／または単数形の用語の使用に対して、当業者は、状況および／または用途に適切なように、複数形から単数形に、および／または単数形から複数形に変換することができる。さまざまな単数形／複数形の置き換えは、理解しやすいように、本明細書で明確に説明することができる。

通常、本明細書において、特に添付の特許請求の範囲（たとえば、添付の特許請求の範囲の本体部）において使用される用語は、全体を通じて「オープンな（ｏｐｅｎ）」用語として意図されていることが、当業者には理解されよう（たとえば、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」は、「含むがそれに限定されない（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｂｕｔ ｎｏｔ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ）」と解釈されるべきであり、用語「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、「少なくとも有する（ｈａｖｉｎｇ ａｔ ｌｅａｓｔ）」と解釈されるべきであり、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」は、「含むがそれに限定されない（ｉｎｃｌｕｄｅｓ ｂｕｔ ｉｓ ｎｏｔ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ）」と解釈されるべきである、など）。導入される請求項で具体的な数の記載が意図される場合、そのような意図は、当該請求項において明示的に記載されることになり、そのような記載がない場合、そのような意図は存在しないことが、当業者にはさらに理解されよう。たとえば、理解の一助として、添付の特許請求の範囲は、導入句「少なくとも１つの（ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ）」および「１つまたは複数の（ｏｎｅ ｏｒ ｍｏｒｅ）」を使用して請求項の記載を導くことを含む場合がある。しかし、そのような句の使用は、同一の請求項が、導入句「１つまたは複数の」または「少なくとも１つの」および「ａ」または「ａｎ」などの不定冠詞を含む場合であっても、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」による請求項の記載の導入が、そのように導入される請求項の記載を含む任意の特定の請求項を、単に１つのそのような記載を含む実施形態に限定する、ということを示唆していると解釈されるべきではない（たとえば、「ａ」および／または「ａｎ」は、「少なくとも１つの」または「１つまたは複数の」を意味すると解釈されるべきである）。同じことが、請求項の記載を導入するのに使用される定冠詞の使用にも当てはまる。また、導入される請求項の記載で具体的な数が明示的に記載されている場合でも、そのような記載は、少なくとも記載された数を意味すると解釈されるべきであることが、当業者には理解されよう（たとえば、他の修飾語なしでの「２つの記載（ｔｗｏ ｒｅｃｉｔａｔｉｏｎｓ）」の単なる記載は、少なくとも２つの記載、または２つ以上の記載を意味する）。さらに、「Ａ、ＢおよびＣ、などの少なくとも１つ」に類似の慣例表現が使用されている事例では、通常、そのような構文は、当業者がその慣例表現を理解するであろう意味で意図されている（たとえば、「Ａ、Ｂ、およびＣの少なくとも１つを有するシステム」は、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、ＡおよびＢを共に、ＡおよびＣを共に、ＢおよびＣを共に、ならびに／またはＡ、Ｂ、およびＣを共に、などを有するシステムを含むが、それに限定されない）。「Ａ、Ｂ、またはＣ、などの少なくとも１つ」に類似の慣例表現が使用されている事例では、通常、そのような構文は、当業者がその慣例表現を理解するであろう意味で意図されている（たとえば、「Ａ、Ｂ、またはＣの少なくとも１つを有するシステム」は、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、ＡおよびＢを共に、ＡおよびＣを共に、ＢおよびＣを共に、ならびに／またはＡ、Ｂ、およびＣを共に、などを有するシステムを含むが、それに限定されない）。２つ以上の代替用語を提示する事実上いかなる離接する語および／または句も、明細書、特許請求の範囲、または図面のどこにあっても、当該用語の一方（ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｒｍｓ）、当該用語のいずれか（ｅｉｔｈｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｒｍｓ）、または両方の用語（ｂｏｔｈ ｔｅｒｍｓ）を含む可能性を企図すると理解されるべきであることが、当業者にはさらに理解されよう。たとえば、句「ＡまたはＢ」は、「Ａ」または「Ｂ」あるいは「ＡおよびＢ」の可能性を含むことが理解されよう。

さらに、本開示の特徴または態様がマーカッシグループによって記載される場合、本開示はそれによって、マーカッシュグループの任意の個々の要素またはいくつかの要素からなるサブグループによっても記載されることが当業者には認識されよう。

当業者には理解されるように、記載を提供する観点からなどのあらゆる目的のために、本明細書に開示されるすべての範囲は、可能性のあるすべての下位範囲およびその下位範囲の組み合わせも含む。挙げられた任意の範囲は、少なくとも相等しく２分割、３分割、４分割、５分割、１０分割などされる同一範囲を十分に記載し、かつ可能にするものとして容易に認識され得る。非限定的な例として、本明細書において論じた各範囲は、下位３分の１、中位３分の１および上位３分の１などに容易に分けることができる。当業者によって理解もされるように、「まで」、「少なくとも」、「超える」、「未満」などのあらゆる表現は、挙げられた数を含み、すでに論じたように、後に下位範囲に分けることができる範囲を指す。最後に、当業者には理解されるように、ある範囲は、個々の要素を含む。したがって、たとえば、１〜３の物品を含む群は、１、２、または３の物品を含む群を指す。同様に、１〜５の物品を含む群は、１、２、３、４、または５の物品を含む群を指し、これ以降も同様である。

さまざまな態様および実施形態を本明細書に開示してきたが、他の態様および実施形態が当業者には明らかとなろう。本明細書に開示されたさまざまな態様および実施形態は例示目的のものであり、制限は意図しておらず、真の範囲および趣旨は添付の特許請求の範囲に示される。

例
本明細書に開示されたこの処理および方法ならびに他の処理および方法について、処理および方法において実施される機能は異なる順序で実行されてもよいことが当業者には認識されよう。さらに、概要を示す段階および動作は例として提示するだけであり、その段階および動作の一部は、開示された実施形態の本質を損ねることなく、オプションであるか、より少ない段階および動作に結合されるか、またはさらなる段階および動作に拡大されてもよい。

例１：シミュレーション手順
スロット付き光ファイバの特性を、ＣＯＭＳＯＬ Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ３．４を用いたフルベクトル有限要素解析によってシミュレートした。光ファイバの屈折率はシリカと同じ（１．４４４）であり、光ファイバを取り囲んでいる媒質は空気と同じ（１．０００）である。スロット付きのマイクロファイバは、図１Ｃに示したように構成されていた。

例２：スロット付き光ファイバの複屈折を使用するセンシング
幅が１５０ｎｍで深さが約１μｍのスロットを有する、直径が１μｍのスロット付き光ファイバ用に、２つの異なる偏光のためのＨＥ_１１モードを決定した。光ファイバを透過する光は１５５０ｎｍの波長を有していた。ＨＥ_１１モードの非縮退は、スロット付き光ファイバの複屈折Ｂとして知られている。複屈折Ｂは、

と定義することができ、式中、

および

は、

および

についての事実上の屈折率である。

モードの対応する電場は、空気の低屈折率によって、スロット内の増加した振幅とともに大きな不連続性を示すことが判明した。空気とシリカとの間の屈折率の差が大きいために、電場の力の多くはスロット領域内に閉じ込められる。一方、スロットと光ファイバとの間に流れがないので、ｙ方向への光波の偏光は十分となる。したがって、光はほとんどの場合、屈折率がより高い媒質内に閉じ込められる。したがって、ｘ方向に偏光させられる光の多くは、スロット内の空気（たとえば、屈折率が低い材料）を透過するが、ｙ方向に偏光させられる極めてわずかな光は、スロットを透過する。光出力の約１０〜２０％がスロット内を透過することが可能な場合がある。

図７は、さまざまなスロット付き光ファイバの複屈折対光ファイバの半径を示すグラフである。光ファイバ内のスロットは、５０ｎｍまたは１００ｎｍに固定し、スロットの深さは光ファイバの半径に等しいか、またはその半分とした。このデータは、複屈折がまず光ファイバの半径とともに増加して最大値に達し、その後は減少することを示す。また、複屈折は、スロットの幅および深さとともに増加する。これらの結果は、複屈折を増加させるように光ファイバの寸法を選択することができ、それによって、さまざまな用途に合わせて感度を増加させられることを示す。

光ファイバの感度は、屈折率の変化に対する共振波長の変化とみなすことができる。

図８は、光ファイバの半径に対する光ファイバの感度を示すグラフである。各ファイバのスロットの深さは、光ファイバの直径とほぼ同じにした。このデータは、スロット付き光ファイバが、取り囲んでいる媒質の屈折率の変化に対する極めて高い感度を潜在的に実現できることを示す。

例３：スロット付き光ファイバを使用するエバネッセント場センシング
取り囲んでいる媒質の事実上の屈折率に対する変化を検出するために、エバネッセント場を使用してもよい。感度は、媒質の共振周波数（たとえば、媒質が光を吸収する周波数または波長）の変化を監視することによって得ることができる。

図９は、半径を変化させたときのｘ偏光モードとｙ偏光モードの両方について、スロット付き光ファイバ（ＳＯＦ）対スロット無し光ファイバ（ＮＳＯＦ）の感度の比率を示すグラフである。これらの結果は、スロット付き光ファイバが、スロット無し光ファイバに比べて２倍から１０倍の感度を示し得ることを示す。したがって、スロット付き光ファイバは、エバネッセント場を用いるセンシング用途に合わせて著しく向上した感度を実現することができる。

例４：センシングデバイス
１μｍの半径および２００μｍの長さを有するスロット付き光ファイバを、標準的な偏光干渉計（ｐｏｌａｒｉｍｅｔｒｉｃ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）に組み込む。光ファイバは、幅が１５０ｎｍ、深さが１μｍ、長さが１００μｍである図１Ａ〜Ｃに示したスロットを含む。広帯域光源が、３ｄＢの結合器内に光を照射するように構成されている。結合器は、光を２つの光ビーム、すなわち（ｉ）偏光制御装置が受光する第１のビームと、（ｉｉ）光ファイバを透過する光に重畳される光である第２のビームとに分割するように構成されている。光ファイバは、一端において、光ファイバが受光する光を偏光させる偏光制御装置に結合される。光ファイバは、すでに論じたように、光ファイバを透過する光が、結合器からの光である第２のビームに重畳されるように、第２の端において結合器に結合されている。光スペクトル解析器（ＯＳＡ）は、結合器からの重畳された光を受光するように構成されている。解析器は、波長のある範囲で受光した光の輝度、位相、および／または偏光を測定するように構成されている。

したがって、光ファイバは、従来のセンシングデバイスに容易に組み込むことができる。

例５：温度センシング
例におけるセンシングデバイスは、温度の変化を検出するために使用することができる。光ファイバの少なくともスロット付き部分が、周囲媒質（たとえば、空気）に接触する。解析器が検出する干渉波長の変化は、周囲媒質の温度と相関することがある。

例６：エタノール含有量を検出
水溶液中のエタノールの含有量を、スロット付き光ファイバを使用して測定することができる。スロット付き光ファイバは、Ｗｈｉｔｅ，Ｉ．らの「Ｒｅｆｒａｃｔｏｍｅｔｒｉｃ Ｓｅｎｓｏｒｓ ｆｏｒ Ｌａｂ−ｏｎ−ａ−Ｃｈｉｐ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｒｉｎｇ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ」、ＩＥＥＥ Ｓｅｎｓｏｒｓ Ｊｏｕｒｎａｌ、ｖｏｌ．７（１）、ｐｐ．２８〜３５（２００７）に記載された類似の構成において使用されている。簡単に言えば、分布帰還レーザ（約１５５０ｎｍ）から光が出射され、その光は、スロット付き光ファイバを透過し、光検出装置が受光する。スロット付き光ファイバは、エバネッセント波の結合によって石英導管に結合される。水とエタノールの混合物を、蠕動ポンプを使用して導管を通して供給する。透過光の共振波長の変化が検出され、エタノールの量に対応付けられる。感度（たとえば、エタノールの含有量に対する共振波長の変化）は、スロット付き光ファイバを含むことによって高めることができる。

Claims (25)

1. 第１の部分、第２の部分、および前記第１の部分と前記第２の部分との間に配置された少なくとも１つのスロットを備える光ファイバであって、前記スロットが前記光ファイバの長手方向軸に沿って延び、前記スロットが当該光ファイバの光が透過する部分に設けられており、
   前記長手方向軸に対して垂直な前記光ファイバの断面が、約４μｍ以下の最大寸法を有し、前記スロットが、約５ｎｍから約５００ｎｍの幅と、少なくとも約１０ｎｍの深さとを有する、
   位相及び偏光から選択される、当該光ファイバからの前記光の少なくとも１つの特性を測定することにより、周囲媒質の変化をセンシングするための光ファイバ。
2. 前記偏光の変化が、前記媒質の少なくとも１つの特性の変化に対応する、請求項１に記載の光ファイバ。
3. 前記偏光の変化が、前記スロット内の前記媒質の少なくとも１つの特性の変化に対応する、請求項１又は２に記載の光ファイバ。
4. 前記スロットが、
   前記光ファイバの前記長手方向軸に沿って延び、前記光ファイバの前記第１の部分に隣接する第１の面と、
   前記光ファイバの前記長手方向軸に沿って延び、前記光ファイバの前記第２の部分に隣接する第２の面と、
   をさらに備える、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光ファイバ。
5. 前記第１の面がほぼ平面であり、前記第２の面がほぼ平面である、請求項４に記載の光ファイバ。
6. 前記第１の面が、前記光ファイバの外表面から前記光ファイバの内部領域まで、前記長手方向軸に対して垂直な軸に沿って延び、
   前記第２の面が、前記光ファイバの外表面から前記光ファイバの内部領域まで、前記長手方向軸に対して垂直な軸に沿って延びる、請求項４に記載の光ファイバ。
7. 前記第１の面と前記第２の面が概ね平行である、請求項４に記載の光ファイバ。
8. 前記スロットが、前記第１の面と前記第２の面との間に延びる第３の面をさらに備える、請求項４に記載の光ファイバ。
9. 前記第３の面が概ね平らである、請求項８に記載の光ファイバ。
10. 前記第１の面と前記第３の面が、約３０°から約１５０°の第１の角をなし、
    前記第２の面と第３の面が、約３０°から約１５０°の第２の角をなす、請求項８に記載の光ファイバ。
11. 前記第１の面と前記第２の面が交わって頂点をなし、
    前記第１の面と第２の面が、約１５°から約１２０°の角をなす、請求項４に記載の光ファイバ。
12. 前記頂点が、前記光ファイバの中心軸の周りに位置する、請求項１１に記載の光ファイバ。
13. 光マイクロファイバの中心軸が、前記スロット内に少なくとも部分的に配置された、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光ファイバ。
14. 前記光ファイバの長さが前記スロットの長さよりも長い、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光ファイバ。
15. 第３の部分と、前記第２の部分と前記第３の部分との間に配置された第２のスロットとをさらに備え、前記第２のスロットが、約５ｎｍから約５００ｎｍの幅と、少なくとも約１０ｎｍの深さとを有する、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光ファイバ。
16. １５５０ｎｍの波長において約２ｄＢ／ｋｍ以下の減衰係数を有する、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光ファイバ。
17. 前記光ファイバの外表面に配置された複数の格子をさらに備え、前記格子が、前記光ファイバの前記長手方向軸に沿って、繰り返し間隔で配置されている、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光ファイバ。
18. 媒質の特性をセンシングする方法であって、
    媒質に隣接して配置される光ファイバを提供することであって、前記光ファイバが、第１の部分、第２の部分、および前記第１の部分と前記第２の部分との間に配置された少なくとも１つのスロットを備え、前記スロットが前記光ファイバの光が透過する部分に設けられており、前記スロットが、前記光ファイバの長手方向軸に沿って延び、前記長手方向軸に対して垂直な前記光ファイバの断面が、約４μｍ以下の最大寸法を有し、前記スロットが、約５ｎｍから約５００ｎｍの幅と、少なくとも約１０ｎｍの深さとを有する、ことと、
    前記光ファイバの第１の端から前記光ファイバの第２の端に、前記光ファイバを介して光を伝送することと、
    位相及び偏光から選択される、前記光ファイバからの前記光の少なくとも１つの特性を測定することと、
    を備える、方法。
19. 前記光ファイバからの前記光の前記少なくとも１つの特性を、前記媒質の少なくとも１つの特性に対応付けることをさらに備える、請求項１８に記載の方法。
20. 前記偏光の変化が、前記媒質の少なくとも１つの特性の変化に対応する、請求項１８又は１９に記載の方法。
21. 前記偏光の変化が、前記スロット内の前記媒質の少なくとも１つの特性の変化に対応する、請求項１８ないし２０のいずれか１項に記載の方法。
22. 光源と、
    前記光源からの光の少なくとも一部分を第１の端において受光し、前記光を第２の端に送出するように構成された光ファイバであって、前記光ファイバが、第１の部分、第２の部分、および前記第１の部分と前記第２の部分との間に配置された少なくとも１つのスロットを備え、前記スロットが当該光ファイバの光が透過する部分に設けられており、前記スロットが、前記光ファイバの長手方向軸に沿って延び、前記長手方向軸に対して垂直な前記光ファイバの断面が、約４μｍ以下の最大寸法を有し、前記スロットが、約５ｎｍから約５００ｎｍの幅と、少なくとも約１０ｎｍの深さとを有する、光ファイバと、
    前記光ファイバの前記第２の端からの前記光の少なくとも一部分を受光し、位相及び偏光から選択される、前記光ファイバからの前記光の少なくとも１つの特性を測定するように構成された光検出器と、
    を備える、センシングデバイス。
23. 前記センシングデバイスが、前記光検出器に結合され、前記光ファイバからの前記光の前記少なくとも１つの特性に対応する信号を受信するように構成されたプロセッサをさらに備え、
    前記プロセッサが、前記光ファイバからの前記光の前記少なくとも１つの特性を、前記光ファイバに隣接する媒質の少なくとも１つの特性に対応付けるように構成されている、
    請求項２２に記載のセンシングデバイス。
24. 前記偏光の変化が、前記媒質の少なくとも１つの特性の変化に対応する、請求項２２又は２３に記載のセンシングデバイス。
25. 前記偏光の変化が、前記スロット内の前記媒質の少なくとも１つの特性の変化に対応する、請求項２２ないし２４のいずれか１項に記載のセンシングデバイス。

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