JP6560789B2 - モジュール型光ファイバ照明システム - Google Patents

Description

本発明は全般にはナノサイズ構造を含む領域を有する光拡散性光ファイバに関し、特に様々な用途にそのようなファイバを用いる照明システム及び方法に関する。

光ファイバは光が光源から遠く離れた場所に送られることが必要な様々な用途に用いられる。例えば、光遠距離通信システムはサービスプロバイダからシステムのエンドユーザに光を送るために光ファイバのネットワークに依存している。

遠距離通信光ファイバは、吸収及び散乱による減衰のレベルが比較的低い、８００ｎｍから１６７５ｎｍの範囲の近赤外波長で動作するように設計される。これにより、ファイバの一端に入射された光のほとんどが、極めて僅かな量の光がファイバの側面を通って周辺に出るだけで、ファイバの他端から出ることが可能になる。

近年、従来のファイバより曲げに対する感度が低い光ファイバの入手が益々要求されてきている。これは、光ファイバをきつく曲げる必要がある構成での遠距離通信システムが益々多く開発されてきたためである。この要求が、コア領域を囲む、非周期的に配された空孔のリングを利用する光ファイバの開発させることになった。空孔を含むリングは曲げ不感性を高めるようにはたらく−すなわち、光ファイバを、光ファイバを通過する光信号の減衰（損失）の有意な変化に悩まずに、半径をより小さくして曲げることができる。このファイバにおいて、空孔を含むリング領域は、空孔を含むリング領域を通って伝搬する光の量を、そのような伝搬は光損失を高め得るであろうから、最小限に抑えるため、コアからある程度距離をおいて光ファイバのクラッド層内に配される。

光ファイバは一般に長距離にわたってファイバの一端からファイバの他端に光を効率良く送るように設計されるから、一般的なファイバの側面からは極めて僅かな光しか抜け出さず、したがって、光ファイバは長照明源での使用に良く適していると見なされてはいない。また、多くは特定の波長において、選ばれた量の光が、望ましくは組立てが容易で修理が容易な照明システムを用いて、指定された領域に効率的な態様で供給されることが必要な多くの照明システム応用がある。

いくつかの実施形態にしたがえば、本開示の第１の態様は、光源、光源に光結合され、出力端を有する、低散乱導光性光ファイバ、及び、ガラスコア、クラッド層及びコア内またはコア−クラッド層境界に配された複数のナノサイズ構造を有する光拡散性光ファイバを備えるモジュール型光ファイバベース照明システムである。光散乱性光ファイバの入力端は低散乱導光性光ファイバの出力端に着脱可能な態様で光結合される。光源はＵＶ波長の光だけを供給し、光拡散性光ファイバはＵＶ光を、１つ以上の色の可視光のような、１つ以上の他の波長に変換するための１つ以上の蛍光体を有し、照明システムは１つ以上の他の波長の伝搬を阻止または低減するフィルタまたは吸収体を備えることができる。

光拡散性光ファイバが低散乱導光性光ファイバに着脱可能な態様で結合されることから多くの利点が生まれる。照明システムは光拡散性光ファイバを切り離すことで修理することができる。照明システムは、１つの波長または波長の組合せを発生させる蛍光体を有する光拡散性光ファイバを別の波長または波長の組合せを発生させる蛍光体を有する光拡散性光ファイバに変えることにより、時間の経過にともなってアップグレードするかまたは変更することもできる。さらに、このタイプの修理またはアップグレードまたは変更のための「スイッチボックス」の場所を、初めに光が発生される場所から比較的遠い位置にあるように選ぶことができる。言い換えれば、電力が必要であるか、熱が発生するか、湿気が嫌われる、等の場所から遠くに選ぶことができる。したがって、システムの交換可能または修理可能な部品は湿気に強くすることができ、電力供給が容易ではない場所及び熱源が避けられるべき場所に配置することができ、一方で、実際にエネルギーがシステムに供給される場所は比較的遠距離とし、物理的及び電気的な崩壊から隔離し、熱に敏感なコンポーネントからまたは領域（または人）から離すことができる。

本開示の照明システムに有用な光源には、特に照明用途のための、白色光源または有色光源のような可視光源がある。例えば、信号発信、検知または検出に用いられる照明には特に、赤外光源を用いることもできる。ＵＶ光源は、様々な用途に用いることができ、また光拡散性ファイバ内または光拡散性ファイバ上の蛍光体と協働して、ほとんどいかなる所望の照明波長も発生することもできる。

いくつかの別の実施形態にしたがえば、第２の光拡散性光ファイバを、直接にまたは、低散乱導光性光ファイバを介するように、介在光素子を介して、第１の光拡散性光ファイバに光結合することができる。これにより、複数の隔てられた場所における照明光の送出が可能になり、光源がＵＶであって光拡散性ファイバが蛍光体を含む場合には、説明されるように、異なる場所における異なる波長または色の送出が可能になる。いくつかのまた別の実施形態にしたがえば、それぞれの光拡散性光ファイバの蛍光体によって発生される他の光波長のファイバに沿う伝搬を阻止または制限するため、フィルタまたは吸収体が用いられる。これは、システムのどこか他からの色または波長の混入が無い、所望の場所における所望の波長の確実な送出を提供する。

上述の全般的説明及び以降の詳細な説明が本開示の実施形態を提示し、特許請求されるような本開示の本質及び特質を理解するための概要または枠組みの提供が目的とされていることは当然である。添付図面は本開示のさらに深い理解を提供するために含められ、本明細書に組み入れられて本明細書の一部をなす。図面は本開示の様々な実施形態を示し、記述とともに、本開示の原理及び動作の説明に役立つ。

本開示のさらなる特徴及び利点は以下の詳細な説明に述べられ、ある程度は、当業者にはその説明から容易に明らかであろうし、あるいは、以下の詳細な説明及び特許請求の範囲を含み、添付図面も含む、本明細書に説明されるように本開示を実施することによって認められるであろう。特許請求の範囲は以下に述べられる詳細な説明に組み入れられて詳細な説明の一部をなす。

図１は光拡散性光ファイバの一実施形態例の一区画の簡略な側面図である。 図２は図１の光ファイバの、方向２−２に沿って見られるような、簡略な断面である。 図３Ａは光拡散性光ファイバの一実施形態例についての相対屈折率対ファイバ半径の簡略なグラフである。 図３Ｂは光拡散性光ファイバの別の実施形態例についての相対屈折率対ファイバ半径の簡略なグラフである。 図３Ｃは光拡散性光ファイバのガラスコアの一構成例を示す。 図４ＡはｄＢ/ｍ単位のファイバ減衰（損失）対波長（ｎｍ）を示す。 図４ＢはｄＢ/ｍ単位のファイバ減衰（損失）対波長（ｎｍ）を示す。 図５は少なくとも１本の光拡散性光ファイバ１２を用いる照明システムの図である。 図６は少なくとも１本の光拡散性光ファイバ１２を用いる照明システムの別の実施形態である。 図７は少なくとも１本の光拡散性光ファイバ１２を用いる照明システムのまた別の実施形態である。 図８は少なくとも１本の光拡散性光ファイバ１２を用いる照明システムのさらにまた別の実施形態である。 図９は本発明のいくつかの実施形態において有用なファイバの整形先端の拡大輪郭図である。 図１０は自由空間結合の別の実施形態である。 図１１は少なくとも１本の光拡散性光ファイバ１２を用いる照明システムのさらに別の実施形態である。 図１２は本開示のいくつかの実施形態とともに用いるに有効なフィルタコーティングを有するレンズ実施形態の略図である。 図１３は本開示のいくつかの実施形態にとともに用いるに有効なフィルタの別の実施形態である。

本開示のさらなる特徴及び利点は以下の詳細な説明に述べられ、ある程度は、当業者にはその説明から容易に明らかであろうし、あるいは、以下の詳細な説明及び特許請求の範囲を含み、添付図面も含む、本明細書に説明されるように本開示を実施することによって認められるであろう。

それらの例が添付図面に示される、本開示の現在好ましい実施形態をここで詳細に参照する。可能であれば必ず、全図面を通して同じかまたは同様の参照数字が同じかまたは同様の要素を指して用いられる。本明細書に開示される実施形態が本開示のいくつかの利点をそれぞれが組み入れている例に過ぎ無いことは当然である。

本開示の範囲内において様々な改変及び変更が以下の例になされ得るし、相異なる例の態様はまた別の例を達成するために様々な仕方で混合され得る。したがって、本開示の真の範囲は、本明細書に開示される実施形態に鑑み、ただしこれらには限定されずに、本開示の全体から理解されるべきである。

定義
「水平」、「垂直」、「前」、「後」、等のような用語、及びデカルト座標の使用は、図面における参照のため及び説明の容易さのためであり、説明または特許請求の範囲において絶対的な方位及び／または方向について厳密に限定することは目的とされていない。

本開示の以降の説明において、以下の語句はナノサイズ構造を有する光散乱性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）半径の間の関係である。

「相対屈折率％」は、

★
と定義される。ここで、ｎ(ｒ)は、別途に指定されない限り、半径ｒにおける屈折率である。相対屈折率％は、別途に指定されない限り、８５０ｎｍにおいて定められる。一態様において、基準屈折率ｎ_基準は８５０ｎｍにおいて１.４５２４９８のシリカガラスの屈折率であり、別の態様においては８５０ｎｍにおけるクラッド層ガラスの最大屈折率である。本明細書に用いられるように、相対屈折率はΔで表され、その値は、別途に指定されない限り、「％」単位で与えられる。ある領域の屈折率が基準屈折率ｎ_基準より小さい場合、相対屈折率％は負であって、陥没領域または陥没屈折率を有すると称され、最小相対屈折率は、別途に指定されない限り、相対屈折率が最も負である点において計算される。ある領域の屈折率が基準屈折率ｎ_基準より大きい場合、相対屈折率％は正であって、そのような領域は隆起しているまたは正屈折率を有するということができる。

本明細書において「上げドーパント」は純粋なアンドープＳｉＯ_２に対して屈折率を高める性質を有するドーパントと見なされる。本明細書において「下げドーパント」は純粋なアンドープＳｉＯ_２に対して屈折率を低める性質を有するドーパントと見なされる。上げドーパントは、上げドーパントではない１つ以上の他のドーパントがともなう場合、光ファイバの負の相対屈折率を有する領域に存在し得る。同様に、光ファイバの正の相対屈折率を有する領域に上げドーパントではない１つ以上の他のドーパントが存在し得る。下げドーパントは、下げドーパントではない１つ以上のその他のドーパントがともなう場合、光ファイバの正の相対屈折率を有する領域に存在し得る。

同様に、光ファイバの負の相対屈折率を有する領域に下げドーパントではない１つ以上の他のドーパントが存在し得る。

語句「αプロファイル」または「アルファプロファイル」は、ｒを半径とし、「％」を単位として、式：

★
にしたがうΔ(ｒ)で表される相対屈折率プロファイルを指す。ここで、ｒ_０はΔ(ｒ)が最大である点であり、ｒ_１はΔ(ｒ)％がゼロである点であって、ｒはｒ_ｉ≦ｒ≦ｒ_ｆの範囲にあり、ここで、Δは上で定義され、ｒ_ｉはαプロファイルの始点であり、ｒ_ｆはαプロファイルの終点であって、αは実数の指数である。

本明細書で用いられるように、語句「放物型プロファイル」は、コア内の１つ以上の点においてα値が２.０から変わり得る実質的に放物型の形状の屈折率プロファイルを、また僅かな変動及び／または中心線ディップを有するプロファイルも、含む。いくつかの実施形態例において、αは、８５０ｎｍで測定して、１.５より大きくかつ２.５より小さく、さらに好ましくは１.７より大きくかつ２.３より小さく、さらに一層好ましくは１.８と２.３の間である。他の実施形態において、屈折率プロファイルの１つ以上のセグメントは、α値が、８５０ｎｍで測定して、８より大きく、さらに好ましくは１０より大きく、さらに一層好ましくは２０より大きい、実質的にステップインデックス形状を有する。

語句「ナノ構造ファイバ領域」は、ファイバの断面において、多数（５０より多く）のガス充填空孔、またはその他のナノサイズ構造、例えば、５０より多く、１００より多くまたは２００より多くの空孔、を含む領域または区域を有するファイバを表す。ガス充満空孔には、例えば、ＳＯ_２，Ｋｒ，Ａｒ，ＣＯ_２，Ｏ_２またはこれらの混合気を入れることができる。本明細書に説明されるようなナノサイズ構造（例えば空孔）の断面寸法（例えば直径）は１０ｎｍから１μｍまで（例えば５０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲で）変わることができ、長さは１ｍｍから５０ｍまで（例えば、２ｍｍ〜５ｍまたは５ｍｍ〜１ｍの範囲で）変わることができる。

標準的な単一モードまたは多モードの光ファイバにおいて、１３００ｎｍより短い波長における損失はレイリー散乱によって支配される。このレイリー散乱Ｌｓは材料と特性によって決定され、一般に可視波長（４００〜７００ｎｍ）に対して約２０ｄＢ/ｋｍである。レイリー散乱は強い波長依存性を有する（すなわち、Ｌｓ∝１/λ^４：図４Ｂの対照ファイバＡを見よ）。これはファイバの少なくとも約１ｋｍから２ｋｍが入力光の９５％より多くを散逸させる必要があることを意味する。そのようなファイバの長さを短くするほど照明効率は低くなるが、長い（１ｋｍから２ｋｍないしさらに長い）ファイバ長を用いると費用がかさみ得るし、管理が困難になり得る。そのような長いファイバ長は照明システムにおいて扱い難くなり得る。

照明用途のいくつかの構成においては、より短いファイバ長、例えば１〜１００ｍを用いることが望ましい。これにはファイバからの散乱損失を高め、同時に、良好な角散乱特性（ファイバの軸からの一様な光散逸）及び、ファイバの曲げにおける輝点を回避するための、良好な曲げ特性を維持できることが必要である。本明細書に説明される開示の実施形態の少なくともいくつかの望ましい属性はファイバ照明器の長さに沿う一様で強い照明光である。光ファイバは可撓であるから、広範な照明形状の開発が可能になる。ファイバによって与えられる照明光が３０％より大きくは変化せず、変化が好ましくは２０％より小さく、さらに好ましくは１０％より小さく、なるように、ファイバの曲げ位置における（高められた曲げ損失による）輝点がないことが好ましい。例えば、少なくともいくつかの実施形態において、ファイバの平均散乱損失は５０ｄＢ/ｋｍより大きく、散乱損失はいかなる与えられた０.２ｍ長のファイバセグメントにかけても３０％より大きくは変化しない（すなわち散乱損失が平均散乱損失の±３０％以内である）。少なくともいくつかの実施形態にしたがえば、ファイバの平均散乱損失は５０ｄＢ/ｋｍより大きく、散乱損失は０.０５ｍより短い長さのファイバセグメントにかけて３０％より大きくは変化しない。少なくともいくつかの実施形態にしたがえば、ファイバの散乱損失は５０ｄＢ/ｋｍより大きく、散乱損失は０.０１ｍより短い長さのファイバセグメントにかけて３０％より大きくは変化しない。少なくともいくつかの実施形態にしたがえば、ファイバの散乱損失は５０ｄＢ/ｋｍより大きく、散乱損失が０.０１ｍより短い長さのファイバセグメントにかけて２０％（すなわち、±２０％）より大きく、好ましくは１０％（すなわち、±１０％）より大きく、変化することはない。

少なくともいくつかの実施形態において、照明光波長においてファイバの側面を通り抜ける総合（拡散）光強度の強度変動は、例えば０.０２〜１００ｍ長とすることができる、ファイバの目標長に対して３０％より小さい。指定された照明光波長においてファイバの側面を通る光の強度はクラッド層または被覆の内または上に組み入れられている蛍光体によって変えられ得ることに注意されたい。蛍光物質によって散乱する光の波長はファイバ内を伝搬している光の波長とは異なる。

以下のいくつかの実施形態例において、発明者等はファイバのコア領域またはコアの非常に近くに配置されたナノ構造ファイバ領域（ナノサイズ構造を含む領域）をもつファイバ構造を説明する。ファイバ実施形態のいくつかは５０ｄＢ/ｋｍをこえる（例えば、１００ｄＢ/ｋｍより大きい、２００ｄＢ/ｋｍより大きい、５００ｄＢ/ｋｍより大きい、１０００ｄＢ/ｋｍより大きい、３０００ｄＢ/ｋｍより大きい、５０００ｄＢ/ｋｍより大きい）散乱損失を有し、散乱損失（したがって照明、すなわちこれらのファイバから放射される光）は角度空間において一様である。

ファイバの曲げにおける輝点を減らすかまたは排除するために、ファイバの９０°曲げにおける減衰の増大は、曲げ直径が５０ｍｍより小さいときに５ｄＢ/ターンより小さい（例えば、３ｄＢ/ターンより小さい、２ｄＢ/ターンより小さい、１ｄＢ/ターンより小さい）ことが望ましい。実施形態例において、そのような低曲げ損失はさらに一層小さな、例えば、２０ｍｍより小さく、１０ｍｍより小さく、さらには５ｍｍより小さい、曲げ直径において達成される。減衰の総増大は５ｍｍの曲げ半径において９０°ターン当たり１ｄＢより小さいことが好ましい。

いくつかの実施形態において、曲げ損失は真っ直ぐなファイバのコアからの固有散乱損失以下であることが好ましい。固有散乱はほとんどがナノサイズ構造からの散乱による。したがって、光ファイバの少なくとも曲げ不感実施形態によれば、曲げ損失はそのファイバについての固有散乱損失をこえない。しかし、散乱レベルは曲げ直径の関数であるから、ファイバの曲げ布設はその散乱レベルに依存する。例えば、実施形態のいくつかにおいて、ファイバは３ｄＢ/ターンより小さい、好ましくは２ｄＢ/ターンより小さい、曲げ損失を有し、輝点を形成せずに５ｍｍもの小さい半径の弧をなしてファイバを曲げることができる。

また、以下の説明において、散乱された光化学反応性の光が光反応性材料の全体にわたって与えられるかまたは送られるといわれるいくつかの実施形態では。散乱された光化学反応性の光は妥当な時間内に光学反応性材料に光化学反応を行うに十分な強度を有すると想定されている。

光拡散性光ファイバ
図１は、中心軸（中心線）１６を有する光拡散性光ファイバ（本明細書では以降「ファイバ」とも称される）１２の一実施形態例の一区画の簡略な側面図である。図１２は、図１の方向２−２に沿って見られるような、光拡散性ファイバ１２の簡略な断面図である。ファイバ１２は、例えば、周期的または非周期的なナノサイズ構造（例えば空孔）を有するナノ構造ファイバ領域をもつ、様々なタイプの光ファイバのいずれか１つとすることができる。一実施形態例において、ファイバ１２は３つの区画または領域に分割されたコア２０を有する。これらのコア領域は、中実中央領域２２，ナノ構造リング領域（内環コア領域）２６及び内環コア領域２６を囲む外周中実領域２８である。環状クラッド領域（クラッド層）４０がコア２０を囲み、外周面を有する。クラッド層４０は大開口数（ＮＡ）を与えるために低屈折率を有することができる。クラッド層４０は、例えば、ＵＶ硬化性または熱硬化性のフルオロアクリーレートまたはシリコーンのような低屈折率ポリマーとすることができる。

必要に応じて用いられる被覆４４がクラッド層４０を囲む。被覆４４は低弾性率一次被覆層及び高弾性率二次被覆層を含むことができる。少なくともいくつかの実施形態において、被覆層４４はアクリレート系またはシリコーン系のポリマーのようなポリマー被覆を含む。少なくともいくつかの実施形態において、被覆はファイバの長さに沿って一定の直径を有する。

以下に説明される他の実施形態例において、被覆４４は、クラッド層４０を通過するコア２０からの「放射光」の分布及び／または性質を強めるように設計される。クラッド層４０の外周面または必要に応じて用いられる被覆４４の外周面は、本明細書で説明されるように、ファイバ内を進行している光が、散乱により、それを通して外に出される、ファイバ１２の「側面」または表面４８を表す。

必要に応じて保護被覆または外装（図示せず）がクラッド層を覆う。ファイバ１２はフッ素化クラッド層４０を有することができるが、漏洩損失が照明特性を低下させない、長さが短い用途にファイバが用いられることになる場合には、フッ素化クラッド層は必要ではない。

いくつかの実施形態例において、ファイバ１２のコア領域２６は、図２の挿入拡大図の詳細に示される空孔の例のような、複数の非周期的に配されたナノサイズ構造（例えば、空孔）３２が内部に配されている、ガラスマトリックス（ガラス）３１を有する。別の実施形態例において、空孔３２は、フォトニック結晶光ファイバのように、周期的に配することができ、空孔は一般に約１×１０^−６ｍから１×１０^−５ｍの間の直径を有する。空孔３２は非周期的または無秩序に配することもできる。いくつかの実施形態例において、領域２６のガラス３１はフッ素ドープシリカであるが、他の実施形態においてガラスはアンドープ純シリカである。空孔の直径は少なくとも１０ｎｍであることが好ましい。

ナノサイズ構造３２はコア２０からファイバの外周面４８に向けて光を散乱させる。散乱光は次いでファイバ１２の外周面４８を通して「拡散」されて、所望の照明を与える。すなわち、光のほとんどが、ファイバ１２の長さに沿い、（散乱により）ファイバの側面を通して拡散される。ファイバはその長さにわたって実質的に一様な光を放射することが好ましく、ファイバは放射される光の波長（照明光波長）において５０ｄＢ/ｋｍより大きい散乱誘起減衰を有することが好ましい。散乱誘起減衰はこの波長に対して１００ｄＢ/ｋｍより大きいことが好ましい。いくつかの実施形態において、散乱誘起減衰はこの波長に対して５００ｄＢ/ｋｍより大きく、いくつかの実施形態においては、１０００ｄＢ/ｋｍより大きく、２０００ｄＢ/ｋｍより大きく、５０００ｄＢ/ｋｍより大きい。このような大散乱損失は標準的な単一モードまたは多モードの光ファイバにおけるレイリー散乱よりも約２.５倍から２５０倍大きい。

コア領域２２及び２８を構成しているガラスは、Ｇｅ，Ａｌ及び／またはＰのような、ドーパントを含有することができる。「非周期的に配される」あるいは「非周期的分布」は、（図２に示されるように）光ファイバの断面をとると、空孔３２がファイバの一領域にわたって無秩序にまたは非周期的に分布していることを意味する。ファイバの長さに沿う異なる点でとられた同様の断面は異なる断面空孔パターンを示すであろう。すなわち、様々な断面は、空孔の分布及び空孔の径が一致しない、相異なる空孔パターンを有するであろう。すなわち、空孔は非周期的である。すなわち、空孔はファイバ構造内に周期的に配されてはいない。これらの空孔は光ファイバの長さに沿って（すなわち軸線に平行に）引き伸ばされる（細長くされる）が、通信ファイバの一般的な長さについての光ファイバの全長をこえることはない。理論に束縛されることは望まないが、空孔の伸びは１０ｍより短く、多くの場合、ファイバの長さに沿って１ｍより短い。

以下に論じられる照明システムにおいて本明細書で用いられるようなファイバ１２は、かなりの量のガスが固結ガラスブランク内に閉じ込められ、よって固結ガラス光ファイバプリフォーム内に空孔が形成される結果となる、プリフォーム固結条件を用いる方法で作製することができる。これらの空孔を取り除くための工程をとるのではなく、得られたプリフォームは内部に空孔またはナノサイズ構造を形成するために用いられる。得られたファイバのナノサイズ構造または空孔は、ファイバ長に沿い、側面を通して、ファイバから光を散乱または誘導するために用いられる。すなわち、光は、所望の照明を与えるため、ファイバの外周面を通してコア２０から外方に導かれる。

本明細書に用いられるように、空孔のようなナノサイズ構造の直径は、ファイバの軸線に直交する断面で光ファイバを見たときの空孔の周上の２点間の最長線分である。ナノ構造空孔をもつ光ファイバの作製方法は、例えば米国特許出願第１１/５８３０９８号明細書に説明されている、この明細書は本明細書に参照として含められる。

上述したように、ファイバ１２のいくつかの実施形態においてコアの領域２２及び２８はゲルマニウムがドープされたシリカ、すなわちゲルマニアドープシリカを含む。所望の屈折率及び密度を得るため、ゲルマニウム以外のドーパントを、単独でまたは組み合わせて、ファイバのコア内に、特に中心線１６またはその近傍に用いることができる。少なくともいくつかの実施形態において、本明細書に開示される光ファイバの相対屈折率プロファイルは領域２２及び２８において非負である。これらのドーパントは、例えば、Ａｌ，Ｔｉ，Ｐ，Ｇｅまたはこれらの組合せとすることができる。少なくともいくつかの実施形態において、光ファイバはコアにいずれの屈折率下げドーパントも含有しない。いくつかの実施形態において、本明細書に開示される光ファイバの相対屈折率プロファイルは領域２２，２６及び２８において非負である。

本明細書に用いられるようなファイバ１２のいくつかの例において、コア２０は純シリカを含む。一実施形態において、ファイバの好ましい属性は光化学反応性材料に光化学反応をおこさせる、所望のスペクトル範囲にある光をファイバの外に散乱させる（光を拡散させる）ことができる能力である。他の実施形態において、散乱光は、汎用照明素子、装飾的アクセント及び白色光の用途を含む、事実上いかなる照明目的にも用いることができる。散乱による損失の大きさは、ファイバのガラスの特性、ナノ構造領域２６の幅、及びナノサイズ構造の寸法及び密度を変えることで大きくすることができる。

本明細書に用いられるようなファイバ１２のいくつかの例において、コア２０は分布屈折率コアであり、好ましくは、コアの屈折率プロファイルは放物型（または実質的に放物型）の形状を有し、例えば、いくつかの実施形態において、コア２０の屈折率プロファイルは、α値が、８５０ｎｍで測定して、約２，好ましくは１.８と２.３の間の、α形状を有する。他の実施形態において、屈折率プロファイルの１つ以上のセグメントはα値が、８５０ｎｍで測定して、８より大きく、さらに好ましくは１０より大きく、さらに一層好ましくは２０より大きい、実質的にステップインデックス型の形状を有する。いくつかの実施形態において、コアの屈折率は中心線ディップを有し、コアの最大屈折率及び光ファイバ全体の最大屈折率は中心線１６から若干離れた場所に配されるが、他の実施形態において、コアの屈折率は中心線ディップを有さず、コアの最大屈折率及び光ファイバ全体の最大屈折率は中心線に配される。

一実施形態例において、ファイバ１２はシリカベースコア２０及び（シリカに対する）陥没屈折率ポリマークラッド層４０を有する。低屈折率ポリマークラッド層４０は、負であることが好ましく、さらに好ましくは−０.５％より小さく、さらに一層好ましくは−１％より小さい、相対屈折率を有する。いくつかの実施形態例において、クラッド層４０は２０μｍ以上の厚さを有する。いくつかの実施形態例において、クラッド層４０はコアより低められた屈折率及び１０μｍ以上（例えば２０μｍ以上）の厚さを有する。いくつかの実施形態例において、クラッド層はＲ_最大の２倍の、例えば約１２５μｍ（例えば、１２０μｍから１３０μｍまたは１２３μｍから１２８μｍ）の、外径を有する。他の実施形態において、クラッド層は１２０μｍより小さい、例えば６０μｍまたは８０μｍの、直径を有する。他の実施形態において、クラッド層の外径は２００μｍより大きいか、３００μｍより大きいか、または５００μｍより大きい。いくつかの実施形態において、クラッド層の外径はファイバ１２の長さに沿って一定の直径を有する。いくつかの実施形態において、ファイバ１２の屈折率は放射対称である。コア２０の外径２Ｒ_３はファイバの長さに沿って一定であることが好ましい。コアの領域２２，２６，２８の外径はファイバの長さに沿って一定であることが好ましい。発明者等にとり、一定であるとは、平均値に対する直径の変動が１０％未満、好ましくは５％未満、さらに好ましくは２％未満であることを意味する。

図３Ａは図２に示されるファイバ１２の例についての相対屈折率Δ対ファイバ半径の例のグラフ（実線）である。コア２０は、例えば１.７と２.３の間（例えば１.８〜２.３）のα値を特徴とする、分布コアプロファイルを有することもできる。屈折率プロファイルの別の例が破線で示される。コア２０の中実中央領域２２（または第１のコア領域２２〜は中心線１６から外径Ｒ_１まで径方向に外側に広がり、最大屈折率ｎ_１（及び相対屈折率％Δ_１最大）に対応する相対屈折率プロファイルΔ_１(ｒ)を有する。この実施形態において、基準屈折率ｎ_基準はクラッド層の屈折率である。第２のコア領域２６（またはナノ構造領域２６）は、最小屈折率ｎ_２，相対屈折率プロファイルΔ_２(ｒ)，最大相対屈折率Δ_２最大及び最小相対屈折率Δ_２最小を有し、Δ_２最大＝Δ_２最小である。第３のコア領域２８（または外周中実領域２８）は、最大屈折率ｎ_３，最大相対屈折率がΔ_３最大の相対屈折率プロファイルΔ_３(ｒ)，及び最小相対屈折率Δ_３最小を有し、Δ_３最大＝Δ_３最小である。この実施形態において、環状クラッド層４０は、屈折率ｎ_４，最大相対屈折率がΔ_４最大の相対屈折率プロファイルΔ_４(ｒ)，及び最小相対屈折率Δ_４最小を有する。いくつかの実施形態において、Δ_４最大＝Δ_４最小である。いくつかの実施形態において、Δ_１最大＞Δ_４最大及びΔ_３最大＞Δ_４最大である。いくつかの実施形態において、Δ_２最小＞Δ_４最大である。図２及び図３Ａに示される実施形態において、Δ_１最大＞Δ_３最大＞Δ_２最大＞Δ_４最大である。この実施形態において、それぞれの領域の屈折率は関係，ｎ_１＞ｎ_３＞ｎ_２＞ｎ_４を有する。

いくつかの実施形態において、コアの領域２２，２８は、Δ_１(ｒ)及びΔ_３(ｒ)が一定である図３Ａに示されるように、実質的に一定の屈折率プロファイルを有する。これらの実施形態のいくつかにおいて、Δ_２(ｒ)は若干正であるか（０＜Δ_２(ｒ)＜０.１％）、負であるか（−０.１％＜Δ_２(ｒ)＜０）または０％である。いくつかの実施形態において、Δ_２(ｒ)の絶対値は０.１％より小さく、好ましくは０．０５％より小さい。いくつかの実施形態において、外周クラッド領域４０は、Δ_４(ｒ)が一定である図３Ａに示されるように、実質的に一定の屈折率プロファイルを有する。これらの実施形態のいくつかにおいて、Δ_４(ｒ)＝０％である。コアの領域２２はΔ_１(ｒ)≧０％である屈折率を有する。いくつかの実施形態において、空孔充満領域２６は、絶対値が０.０５％より小さい負の相対屈折率を有する相対屈折率プロファイルΔ_２(ｒ)を有し、コアの領域２８のΔ_３(ｒ)は、例えば、正またはゼロとすることができる。少なくともいくつかの実施形態において、ｎ_１＞ｎ_２及びｎ_３＞ｎ_４である。

いくつかの実施形態において、クラッド層４０は−０.０５％＜Δ_４(ｒ)＜０.０５％の屈折率を有する。他の実施形態において、クラッド層４０並びにコアの領域２０，２６及び２８は純（アンドープ）シリカを含むことができる。

いくつかの実施形態において、クラッド層４０は純シリカまたはＦドープシリカを含む。いくつかの実施形態において、クラッド層４０は純低屈折率ポリマーを含む。いくつかの実施形態において、ナノ構造領域２６は複数の空孔３２を含む純シリカを含む。ナノ構造領域２６の、いかなる空孔の存在も考慮した、最小相対屈折率及び平均実効相対屈折率はいずれも−０.１％未満であることが好ましい。空孔３２には、アルゴン、窒素、酸素、クリプトンまたはＳＯ_２のような、１つ以上のガスを入れることができ、あるいは空孔３２は実質的にガスがない真空状態とすることができる。しかし、いかなるガスの存在または不在にもかかわらず、ナノ構造領域２６の平均屈折率は空孔３２の存在によって低められる。空孔３２はナノ構造領域２３内に無秩序にまたは非周期的に配することができ、他の実施形態において空孔３２はナノ構造領域２３内に周期的に配される。

いくつかの実施形態において、複数の空孔３２は複数の非周期的に配された空孔及び複数の周期的に配された空孔を含む。

実施形態例において、コア領域２２はゲルマニアドープシリカを含み、内環領域２８は純シリカを含み、環状クラッド領域４０はガラスまたは低屈折率ポリマーを含む。これらの実施形態のいくつかにおいて、ナノ構造領域２６は純シリカ内に複数の空孔３２を含み、これらの実施形態の他のいくつかにおいて、ナノ構造領域２６はフッ素ドープシリカ内に複数の空孔３２を含む。

いくつかの実施形態において、コアの外半径Ｒｃは１０μｍより大きくかつ６００μｍより小さい。いくつかの実施形態において、コアの外半径Ｒｃは３０μｍより大きく、及び／または４００μｍより小さい。例えば、Ｒｃは１２５μｍから３００μｍとすることができる。他の実施形態において、コア２０の外半径Ｒｃ（図３Ａに示される実施形態においてはＲｃ＝Ｒ_３であることに注意されたい）は５０μｍより大きくかつ２５０μｍより小さい。コア２０の中央領域２２は、０.１Ｒｃ≦Ｒ_１≦０.９Ｒｃ、好ましくは０.５Ｒｃ≦Ｒ_１≦０.９Ｒｃ、の範囲の半径を有する。ナノ構造リング領域２６の幅Ｗ_２は、好ましくは０.０５Ｒｃ≦Ｗ_２≦０.９Ｒｃ、さらに好ましくは０.１Ｒｃ≦Ｗ_２≦０.９Ｒｃであり、いくつかの実施形態においては０.５Ｒｃ≦Ｗ_２≦０.９Ｒｃである（ナノ構造領域を広くするほど、同じナノサイズ構造の密度に対して、得られる散乱誘起減衰が高くなる）。中実ガラスコア領域２８は０.１Ｒｃ＜Ｗ_３＜０.９Ｒｃであるような幅Ｗｓ＝Ｗ_３を有する。コア２０のそれぞれの領域はシリカベースガラスを含む。ナノ構造領域２６の径方向幅Ｗ_２は１μｍより大きいことが好ましい。例えばＷ_２は、５μｍから３００μｍ、好ましくは２００μｍ以下、とすることができる。いくつかの実施形態において、Ｗ_２は２μｍより大きくかつ１００μｍより小さい。他の実施形態において、Ｗ_２は２μｍより大きくかつ５０μｍより小さい。他の実施形態において、Ｗ_２は２μｍより大きくかつ２０μｍより小さい。いくつかの実施形態において、Ｗ_２は少なくとも７μｍである。他の実施形態において、Ｗ_２は２μｍより大きくかつ１２μｍより小さい。コアの領域２８の幅Ｗ_３は(Ｒ_３−Ｒ_２)であり、中点Ｒ_３中点は(Ｒ_３＋Ｒ_２)/２である。いくつかの実施形態において、Ｗ_３は１μｍより大きくかつ１００μｍより小さい。

ファイバ１２の開口数（ＮＡ）は、光をファイバに向ける光源のＮＡ以上であることが好ましい。ファイバ１２の開口数（ＮＡ）は、０.２より大きいことが好ましく、いくつかの実施形態においては０.３より大きく、０.４より大きいことがさらに一層好ましい。

いくつかの実施形態において、第１のコア領域のコア外半径Ｒ_１は２４μｍより小さくかつ５０μｍをこえない、すなわちコア径は約４８μｍと１００μｍの間にある、ことが好ましい。他の実施形態においてはＲ_１＞２４μｍ、また他の実施形態においてはＲ_１＞３０μｍ、さらにまた他の実施形態においてはＲ_１＞４０μｍである。

いくつかの実施形態においては、内環領域２６の径方向の幅の５０％より多くに対して|Δ_２(ｒ)|＜０.０２５％であり、他の実施形態においては、内環領域２６の径方向の幅の５０％より多くに対して|Δ_２(ｒ)|＜０.０１％である。陥没屈折率環状領域２６は、クラッド層の相対屈折率が初めに−０.０５％より小さい値に達する点に始まり、中心線から径方向に外側に向かう。いくつかの実施形態において、クラッド層４０は最大絶対値が０.１％より小さい相対屈折率プロファイルΔ_４(ｒ)を有し、この実施形態においてはΔ_４最大＜０.０５％及びΔ_４最小＞−０.０５％であり、陥没屈折率領域２６は最外周の空孔が見られる点に終わる。

クラッド構造４０は、光ファイバの最外周縁でもある、半径Ｒ_４まで広がる。いくつかの実施形態において、クラッド層の幅，Ｒ_４−Ｒ_３は少なくとも５０μｍであり、いくつかの実施形態において、Ｒ_４−Ｒ_３は少なくとも７０μｍである。

別の実施形態においては、全コア２０がナノ構造化され（例えば、空孔で満たされ）、コア２０はクラッド層４０で囲まれる。コア２０は「ステップ型」屈折率Δを有することができ、あるいは。例えばα値が１.８と２.３の間の、αプロファイルを含む、分布型コアプロファイルを有することができる。

ファイバ１２を形成するために用いられる光学プリフォーム（図示せず）を、十分に固結された１ｍ長／２０ｍｍ径の無孔純シリカコアケーン上に４７０ｇのＳｉＯ_２（密度０.５ｇ/ｃｍ^３）スートを外付け（ＯＶＤ）法によって堆積させ、スートシリカ領域で囲まれた固結無孔シリカコア領域を有する（プリフォームまたは光学プリフォームと称されることもある）プリフォームアセンブリを得る、一実施形態例において作製した。次いで、このプリフォームアセンブリのスートクラッドを以下のようにして焼結した。プリフォームアセンブリを初めに、炉の上部ゾーンにおいて１１００℃で、ヘリウムと３％の塩素を含む（ガスの％は全て体積による）雰囲気内で２時間乾燥させ、続いて（体積で）１００％ＳＯ_２の焼結雰囲気においてほぼ１５００℃に設定された高温ゾーンを通して、（下降過程中のスートプリフォームの外側に対してほぼ１００℃/分の温度上昇に対応する）２００ｍｍ/分で下降させた。次いで、プリフォームアセンブリを（下降過程中のスートプリフォームの外側に対してほぼ５０℃/分の温度上昇に対応する）１００ｍｍ/分の速度で再び（すなわち２回目）高温ゾーンを通して下降させた。次いで、プリフォームアセンブリを（下降過程中のスートプリフォームの外側に対してほぼ２５℃/分の温度上昇に対応する）５０ｍｍ/分の速度で再び（すなわち３回目）高温ゾーンを通して下降させた。次いで、プリフォームアセンブリを（下降過程中のスートプリフォームの外側に対してほぼ１２.５℃/分の温度上昇に対応する）２５ｍｍ/分の速度で再び（すなわち４回目）高温ゾーンを通して下降させ、最後に、シートを焼結してＳＯ_２泡入りシリカオーバークラッドプリフォームにするため、６ｍｍ／分（ほぼ３℃/分の加熱速度）で焼結した。それぞれの下降過程に続いて、（１１００℃に設定されたままの）炉の上部ゾーン内にプリフォームアセンブリを２００ｍｍ/分で上昇させた。高下降速度の第１シリーズは光ファイバの外側を釉化するために用いられ、釉化によりプリフォーム内へのガスの閉込めが容易になる。次いで、プリフォーム内のいかなる残留ヘリウムも放出されるようにプリフォームを１０００℃に設定したアルゴンパージ保持オーブン内に２４時間置いた。次いでこのプリフォームをほぼ１７００℃に設定した通常の黒鉛リドロー炉においてアルゴン雰囲気内で線引きして、直径が１０ｍｍで１ｍ長の、無孔ＳｉＯ_２コア、ＳＯ_２泡入り（すなわち非周期的に配されたＳＯ_２ガス入り空孔を含む）シリカオーバークラッドケーンにした。

１０ｍｍケーンの１本を旋盤に戻し、約１９０ｇのＳｉＯ_２（密度０.５２ｇ/ｃｍ^３）スートをＯＶＤ法でさらに堆積させた。このアセンブリについての（オーバークラッドと呼ぶことができる）クラッドのスートを次いで以下のようにして焼結した。スートを焼結して、ゲルマニア含有無孔シリカコア、ＳＯ_２泡入りシリカリング（すなわち、ＳＯ_２を入れた空孔を含むシリカ）及び無孔オーバークラッドをもつプリフォームにするため、プリフォームアセンブリを初めにヘリウムと３％の塩素を含む雰囲気において１１００℃で２時間乾燥させ、続いて（体積で）１００％のヘリウム雰囲気において１５００℃に設定された高温ゾーンを通して５ｍｍ/分で下降させた。プリフォーム内のいかなる残留ヘリウムも放出されるようにプリフォームを１０００℃に設定したアルゴンパージ保持オーブン内に２４時間置いた。光学プリフォームを黒鉛抵抗加熱炉においてヘリウム雰囲気内でほぼ１７００℃〜２０００℃で線引きして、３ｋｍ長の１２５μｍ径光ファイバにした。光ファイバプリフォームの温度は光ファイバの張力をモニタ及び制御することで制御した。この実施形態において、ファイバの張力は、それぞれの（例えば３ｋｍ長の）ファイバ線引き作業の間、３０ｇと６００ｇの間の１つの値に保持した。線引きプロセス中にファイバを低屈折率シリコンベース被覆で被覆した。

別の、上述した、無孔シリカコア／ＳＯ_２泡入りシリカオーバークラッド１０ｍｍケーン（すなわち第２のケーン）を光学プリフォーム及び、例えば図４Ｂに示される、ファイバを作製するために用いた。さらに詳しくは、第２の無孔シリカコア／ＳＯ_２泡入りシリカオーバークラッド１０ｍｍケーンを旋盤に戻し、約３７５０ｇのＳｉＯ_２（密度０.６７ｇ/ｃｍ^３）スートをＯＶＤ法でさらに堆積させた。次いで（このアセンブリについてのクラッドと呼ぶことができる）このクラッドのスートを以下のようにして焼結した。スートを焼結して、ゲルマニア含有無孔シリカコア、ＳＯ_２泡入りシリカリング（すなわち、ＳＯ_２を入れた空孔を含むシリカ）及び無孔オーバークラッドを含むプリフォームを作製するため、アセンブリを初めにヘリウムと３％の塩素を含む雰囲気において１１００℃で２時間乾燥させ、続いて（体積で）１００％のヘリウム雰囲気において１５００℃に設定された高温ゾーンを通して５ｍｍ/分で下降させた。得られた光ファイバプリフォームを、いかなる残留ヘリウムもプリフォームから放出されるように、１０００℃に設定したアルゴンパージ保持オーブン内に２４時間置いた。最後に、光ファイバプリフォームを線引きして５ｋｍ長の１２５μｍ径光ファイバにし、上述したように、低屈折率ポリマーで被覆した。

図３Ｂはファイバ１２のまた別の実施形態例を簡略に示す。図３Ｂのファイバ１２は相対屈折率がΔ_１のコア２０及びコア２０に重ねて配置されてコア２０を囲むナノ構造領域２６’を有する。コア２０は「ステップ型」屈折率プロファイルあるいは、例えばα値が１.８と２.３の間のαプロファイルを含む、分布屈折率コアプロファイルを有することができる。

この実施形態例において（図３Ｂを見よ）、ナノ構造領域２６’は複数の空孔３２を含む環状リングである。この実施形態において、領域２６’は１〜２μｍもの小さい幅を有することができ、負の平均相対屈折率Δ_２を有することができる。クラッド層４０がナノ構造領域２６’を囲む。クラッド層４０の（径方向）厚さは１μｍにも小さくすることができ、クラッド層は（純シリカに対して）負、正または０％の相対屈折率を有することができる。

図３Ａの例と３Ｂの例の間の主要な違いは、図３Ａに示されるナノ構造領域はコア２０内に配されているが、図３Ｂではコア／クラッド層界面に配されていることである。陥没屈折率環状領域２６’はコアの相対屈折率が初めに−０.０５％の値に達する点に始まり、中心線から径方向に外側に向かう。図３Ｂの実施形態において、クラッド層４０は最大絶対値が０.１％より小さい相対屈折率プロファイルΔ_３(ｒ)を有し、この実施形態においては、Δ_３最大＜０.０５％及びΔ_３最小＞−０.０５％であり、陥没屈折率環状領域２６’は空孔で満たされた領域内の最外周の空孔が存在する点において終端する。

図３Ｂに示される実施形態において、コア２０の屈折率は環状領域２６’の屈折率ｎ_２より大きく、クラッド層４０の屈折率ｎ_３も屈折率ｎ_２より大きい。

図３Ｃは作成した実ファイバを代表するファイバ１２のコア２０の一例の簡略な断面図である。図２も参照すれば、図３Ｃのコア２０は、外半径Ｒ_１が約３３.４μｍの第１のコア領域２２，外半径Ｒ_２＝４２.８μｍのナノ構造領域２６，外半径Ｒ_３＝６２.５μｍの第３のコア領域２８，及び外半径Ｒ_４（図示せず）が８２.５μｍのポリマークラッド層４０（図２を見よ）を有する。この実施形態において、コアの材料は純シリカ（アンドープシリカ）であり、クラッド層のための材料は、ガラスコアと合わせて０.３のファイバＮＡが得られる、低屈折率ポリマー（例えば、米国ミシガン州ミッドランド(Midland)のダウコーニング(Dow-Corning)社からＱ３−６６９６の製品名で入手できる、屈折率が１.４１３のＵＶ硬化性シリコーン）である。この光ファイバ１２は、図４Ｂに示されるように、例えばＳＭＦ−２８ｅ（登録商標）のような、標準単一モード伝送路用ファイバに比較して、比較的平坦な（弱い）波長依存性を有していた。（ＳＭＦ−２８（登録法商標）のような）標準単一モードファイバまたは多モードファイバにおいて、１３００ｎｍより短波長における損失はレイリー散乱によって支配される。そのようなレイリー散乱損失は材料の特性によって決定され、一般に可視波長（４００〜７００ｎｍ）に対し約２０ｄＢ/ｋｍである。レイリー散乱損失はλ^−ｐに比例し、ｐ≒４である。少なくとも１つのナノ構造領域を有するファイバにおける波長依存散乱損失の指数は２より小さく、４００ｎｍ〜１１００ｎｍの波長範囲の少なくとも８０％にわたり（例えば９０％より広い範囲で）１より小さいことが好ましい。４００ｎｍから１１００ｎｍまでの平均スペクトル減衰は、ファイバ１２を４０ｇの張力で線引きしたときに約０.４ｄＢ/ｋｍ、９０ｇの張力で線引きしたときに約０.１ｄＢ/ｋｍであった。この実施形態において、ナノサイズ構造にはＳＯ_２ガスを入れている。出願人等は、ナノ構造リング内のＳＯ_２充満空孔が散乱に大きく寄与することを見いだした。さらに、ナノ構造を形成するためにＳＯ_２ガスを用いると、このガスにより熱可逆損失を得ることが可能になる、すなわち、６００℃以下でナノ構造化ファイバは光を散乱するが、６００℃より高温では同じファイバが光を導く、ことを発見した。ＳＯ_２が付与するこの独特な挙動は、同じファイバを６００℃以下に冷却すると、ファイバ１２が光拡散性光ファイバとしてはたらき、観測可能な散乱効果を再び生じるであろうという点においても、可逆である。

好ましい実施形態において、ファイバ長に沿う照明光の一様性は、線引きプロセス中のファイバ張力を制御することによるか、または適切な線引き張力（例えば、３０ｇと１００ｇの間または４０ｇと９０ｇの間）を選択することにより、最低散乱照明光強度が最高散乱照明光強度の０.７より小さくならないように制御される。

よって、いくつかの実施形態にしたがえば、最低散乱照明光強度が最高散乱照明光強度の０.７より小さくならないようにファイバ長に沿う照明の一様性を制御するための方法は、線引きプロセス中のファイバ張力を制御する工程を含む。

ファイバ１２内のナノサイズ構造３２の存在（図２を見よ）は光散乱による損失を生じさせ、ファイバの外周面を通る散乱光は照明目的に用いることができる。図４Ａは図３Ｃのファイバ（ＳＯ_２ガス充満空孔を含むファイバ）についてｄＢ/ｍ単位の減衰（損失）対波長（ｎｍ）のグラフである。図４Ａは、可視波長範囲においてファイバ１２が非常に大きな散乱損失を達成できる（したがって高い照明光強度を与えることができる）ことを示す。ファイバ１２の散乱損失は、可視波長範囲において約０.０２ｄＢ/ｍまたは５００ｎｍの波長において約２０ｄＢ/ｋｍのレイリー散乱損失並びに比較的強い１/λ^４の波長依存性を有する正規の１２５μｍ分布屈折率コア多モード対照ファイバＡ（ファイバＡはナノ構造領域を有していないステップインデックス型モードファイバである）に比較して、弱い波長依存性も有する（Ｌｓは１/λ^ｐに比例し、ここでｐは２より小さく、好ましくは１より小さく、さらに好ましくは０.５より小さい）。ファイバ１２に対する張力の効果も図４Ａ〜４Ｂに示される。さらに詳しくは、図４Ａ〜４Ｂは、ファイバ線引き張力が高くなるほど散乱損失が小さくなり、ファイバ線引き張力が小さくなるほど、散乱損失がより高い、すなわち照明光がより強い、ファイバ区画が得られることを示す。

図４Ａは、９０ｇ及び４０ｇの相異なるファイバ張力で線引きされた（コアに空孔を含む）ファイバ１２について、減衰を波長の関数として示す。図４Ｂは、９０ｇ及び４０ｇの相異なるファイバ張力で線引きされた（コアに空孔を含む）相異なる光拡散性光ファイバ１２、規格化された損失を有する対照マルチモードファイバ（ファイバＡ）及び１/λ損失依存性を有する理論ファイバについて、減衰を波長の関数として示す。図４Ｂのグラフは損失の波長依存性を表すことに注意されたい。この例においては、ファイバ１２とファイバＡについて散乱の勾配を比較するため、２つのプロットを同じ図上に容易に示すことができるように、低損失ファイバ（ファイバＡ）の損失を２０倍してある。

いかなる特定の理論にも束縛されずに、線引き張力が、例えば９０ｇから４０ｇに、減少したときの散乱損失の増加はナノ構造の平均直径の増加によると考えられる。したがって、ファイバ張力のこの効果は、線引きプロセス中にファイバ張力を変えることにより、ファイバの長さに沿って一定の減衰（照明光強度）を生じさせるために用いることができるであろう。例えば、高張力Ｔ_１で線引きされた、損失がα_１ｄＢ/ｍで長さがＬ_１の、第１のファイバセグメントは光パワーを入力レベルＰ_０からＰ_０ｅｘｐ(−α_１・Ｌ_１/４.３４３)に減衰させるであろう。第１のファイバセグメントに光結合された、低張力Ｔ_２で線引きされ、損失がα_２ｄＢ/ｍで長さがＬ_２の、第２のファイバセグメントは光パワーをさらにＰ_０ｅｘｐ(−α_１・Ｌ_１/４.３４３)からＰ_０ｅｘｐ(−α_１・Ｌ_１/４.３４３)ｅｘｐ(−α_２・Ｌ_２/４.３４３)に減衰させるであろう。第１及び第２のファイバセグメントの長さ及び減衰は、縦続ファイバの長さに沿って一様な強度を与えるために調節することができる。ファイバ１２の利点の１つはその長さに沿って一様な照明光を与えることができる能力である。

本開示の一実施形態にしたがえば、一例が図５に概念的に示される、照明システム５０が提供される。照明システム５０は、２００ｎｍと２０００ｎｍの間の少なくとも１つの波長を有する光を発生する少なくとも１つの光源５２を備える。システム５０はさらに、少なくとも１つの光源５２に光結合された入力端５６及び出力端５８をもつ、少なくとも１本の低散乱導光性光ファイバ５４を備える。少なくとも１本の低散乱導光性光ファイバ５４は少なくとも１つの光源５２から受け取った光を誘導光として出力端５８に与えるように構成される。

システム５０はさらに、ガラスコア２０，コア２０を囲むクラッド層４０及びコア２０内またはコア−クラッド層境界に配された複数のナノサイズ構造３２を有する、少なくとも１本の光拡散性光ファイバ１２を備える。少なくとも１本の光拡散性光ファイバ１２はさらに、外周面４８，入力端６２及び出力端６４を有する。少なくとも１本の光拡散性光ファイバ１２の入力端６２は少なくとも１本の低散乱導光性光ファイバ５４の出力端５８に着脱可能な態様で光結合される。少なくとも１本の光拡散性光ファイバ１２は、低散乱導光性光ファイバ５４から誘導光を受取り、ナノサイズ構造３２によって誘導光の少なくとも一部を散乱してガラスコア２０から外周面４８を通して出すように構成され、散乱光がそれにわたって放射される少なくとも１つの連続長Ｌを有する、発光する光拡散性光ファイバ１２を形成する。図５に示されるように、着脱可能な光結合は相互嵌合端子７２，７４を有するコネクタ７０の使用によって達成することができ、相互嵌合端子７２，７４は機械的に嵌め合わされて光結合を確立する。

あるいは、図６〜８におけるように、少なくとも１本の光拡散性光ファイバ１２は、図６〜８に示される様々なタイプの、自由空間光結合６０を介して少なくとも１本の低散乱導光性光ファイバ５４に光結合させることができる。これらのタイプには、（１）図７に示されるように、少なくとも１本の低散乱導光性光ファイバ５４の出力端５８と少なくとも１本の光拡散性光ファイバ１２の入力端６２の間に配置されたレンズ６６を含む自由空間光結合６０、及び（２）図６及び８に示されるように、少なくとも１本の低散乱導光性光ファイバ５４の出力端５８に取り付けられたレンズ６８を含み、図６に示されるように、少なくとも１本の光拡散性光ファイバ１２の入力端６２に取り付けられたレンズ６９をさらに含む、自由空間光結合６０がある。あるいは、図８に示されるように、少なくとも１本の光拡散性光ファイバ１２の入力端６２はレンズ６８から直接に（図８の場合において、間接的に、ボールレンズ６５から）光を受け取ることができる。ボールレンズ６８だけでなく、他のタイプのレンズ６８を用いることができる。図９の実施形態において、例えば、少なくとも１本の低散乱導光性光ファイバ５４の出力端５８にある整形先端６７をレンズ６８として用いることができる。図１０に示される実施形態におけるように、ＧＲＩＮレンズ（分布屈折率レンズ）６３を用いることもできる。

本開示のいくつかの実施形態にしたがえば、可視光が必要な照明用途に対しては特に、光源５２は、白色光源、有色光源または、とりわけ、色可変光源とすることができる。表示または信号用途に対しては、とりわけ、光源５２は赤外光源とすることができる。そのような実施形態において、少なくとも１本の光拡散性光ファイバ１２には一般に蛍光体は組み込まれていないであろう。

本開示の他の実施形態にしたがえば、光源５２は５００ｎｍないしさらに短い波長しか発生しない。すなわち、光源は「紫外」光源である。そのような実施形態は、様々な蛍光体を光拡散性ファイバとともに用いることにより、赤外光及び可視光の様々な色または周波数の組合せを含む、多くの異なる光周波数を元のＵＶ光から発生させることができるから、単一の光源５２をまたは小数の光源５２だけを用いて、極めて多様であるかまたは高度に可変の照明システムを構築するに特に有用である。図１１はこの原理を利用する照明システムを示す。

図１１において、照明システム５０は、図５〜１０に関して上で全般的に論じたような構造またはそれらの代替形態に加えて、少なくとも１本の第２の光拡散性光ファイバ１２ａを備え、少なくとも１本の第２の光拡散性光ファイバ１２ａも、ガラスコア２０，コア２０を囲むクラッド層及び、コア２０内またはコア−クラッド層境界に配された、複数のナノサイズ構造３２を有し、さらに外周面４８を有する。少なくとも１本の第２の光拡散性光ファイバ１２ａの入力端６２ａは、少なくとも１本の第２の光拡散性光ファイバ１２ａが、少なくとも１本の光拡散性光ファイバ１２の出力端６４から発する残余誘導光を受け取るために配置及び／または構成されるように、少なくとも１本の光拡散性光ファイバ１２の出力端６４に光結合される。少なくとも１本の第２の光拡散性光ファイバ１２ａは、そのナノサイズ構造３２によって残余誘導光の少なくとも一部を散乱して、ガラスコア２０から外周面４８を通して出し、散乱光がそれにわたって放射される少なくとも１つの連続長Ｌを有する、発光する光拡散性光ファイバ１２ａを形成する。望ましければ、第２の光拡散性光ファイバ１２ａが、散乱光がそれにわたって放射される複数の連続長Ｌ，Ｌ２を有するように、ファイバ１２ａのいくつかの部分を遮蔽することができるであろう。

図１１に示されるように、少なくとも１本の第２の光拡散性光ファイバ１２ａは少なくとも１本の光拡散性光ファイバ１２に着脱可能な態様で光結合することができ、光結合は、少なくとも１本の光拡散性光ファイバ１２の出力端６４に光結合された入力端５６ａを有し、少なくとも１本の第２の光拡散性光ファイバ１２ａの入力端６２ａに光結合された出力端５８ａを有する、少なくとも１本の第２の低散乱導光性光ファイバ５４ａを介する、間接結合とすることもできる。しかし、第１の結合（図１１の実施形態において参照数字６０が付された自由空間結合）以降の結合は、全ての実施形態で着脱可能である必要はない。例えば、いくつかの用途に対しては、表示された第１の（自由空間）結合６０の後の全ての結合が永久融着接続またはその他の永久結合の形態にあることが望ましいであろう。１本以上の追加の下流のファイバに対する下流の永久結合と少なくとも１本の低散乱導光性光ファイバ５４と少なくとも１本の光散乱性光ファイバ１２の間の着脱可能な第１の結合との組合せは、下流の結合が堅牢で確実に低損失であって、下流の照明アセンブリが単一ユニットとして交換可能であり、同時に交換点が大本の光源５４に直接ではなく、結合、この場合は、自由空間結合６０にあるという、利点のすばらしい組合せを提供する。これにより、保守または修理が行われる点からの、大本の１つまたは複数の光源５２の分離が可能になる。したがって、光源５２から発生する望ましくない熱を下流の交換可能または取替可能な照明システムコンポーネントから絶縁することができる。

上述したように、少なくとも１本の光散乱性光ファイバ１２は誘導光の少なくとも一部を、１つ以上の第１の可視光波長のような、１つ以上の第１の他の波長に変換するための１つ以上の第１の蛍光体を有することができる。そのような実施形態において、照明システム５０は、少なくとも１本の光散乱性光ファイバ１２の少なくとも一端６２，６４に光結合されたフィルタまたは吸収体７６をさらに備えることができ、フィルタまたは吸収体７６は１つ以上の第１の他の波長の伝搬を阻止または低減する。これには、蛍光体を有する別のファイバで発生した有色光が、ファイバ５４ａのような、非拡散性ファイバとしたいファイバに、あるいは、残余誘導光の少なくとも一部を、１つ以上の第１の他の波長と少なくとも一部は異なり得る、１つ以上の第２の他の波長に変換するための１つ以上の第２の蛍光体を有することができる、ファイバ１２ａのような別の光拡散性ファイバに、混入しないように、照明システム５０の連続する光ファイバの間の可視光遮断を提供するという利点がある。

フィルタ／吸収体は図１１におけるように個別素子７６の形態をとることができるが、少なくとも１本の光拡散性光ファイバ１２の一端上の、または、図１２に示されるようなボールレンズ上のコーティング７８のような、少なくとも１本の光拡散性光ファイバ１２の端６２，６４に光結合された別の光コンポーネントの表面上の、フィルタまたは吸収体のコーティング７８の形態のような、他の形態をとることもできる。別形として、図１３に示されるようなファイバ１２に取り付けられたバルクフィルタ／吸収体７６によるように、バルクフィルタコンポーネントまたはバルク吸収体コンポーネントを付随ファイバに直接に取り付けることができる。

上述の説明が本開示の例示に過ぎず、特許請求の範囲に定められるような本開示の本質及び特質の理解のための概要の提供が目的とされていることは当然である。添付図面は本開示のさらに深い理解を提供するために含められ、本明細書に組み入れられて本明細書の一部をなす。図面は本開示の様々な特徴及び実施形態を示し、記述とともに、本開示の原理及び動作の説明に役立つ。添付される特許請求の範囲によって定められるような本開示の精神または範囲を逸脱することなく、本明細書に説明されるような本開示の好ましい実施形態に様々な改変がなされ得ることが当業者には明らかになるであろう。

１２，１２ａ 光拡散性光ファイバ
１６ 中心軸
２０ コア
２２ 中実中央領域
２６ ナノ構造リング領域（内環コア領域）
２８ 外周中実領域
３１ ガラス
３２ ナノサイズ構造（空孔）
４０ クラッド領域（クラッド層）
４４ 被覆
４８ ファイバの外周面（側面）
５０ 照明システム
５２ 光源
５４，５４ａ 低散乱導光性光ファイバ
５６，５６ａ，６２，６２ａ 入力端
５８，５８ａ，６４ 出力端
６０ 自由空間光結合
６３，６５，６６，６８，６９ レンズ
６７ 整形先端
７０ コネクタ
７２，７４ 相互嵌合端子
７６ フィルタまたは吸収体
７８ コーティング

Claims (1)

1. 照明システム（５０）において、
   ２００ｎｍと２０００ｎｍの間の少なくとも１つの波長を有する光を発生する少なくとも１つの光源（５２）、
   前記少なくとも１つの光源（５２）と光結合された入力端（５６）を有し、また出力端（５８）を有し、前記少なくとも１つの光源（５２）から受け取った前記光を前記出力端（５８）に誘導光として与えるように構成されている、少なくとも１本の低散乱導光性光ファイバ（５４）、及び
   ガラスコア（２０）、前記コア（２０）を囲むクラッド層（４０）及び前記コア（２０）内またはコア−クラッド層境界に配された複数のナノサイズ構造（３２）を有し、さらに、外周面（４８）、入力端（６２）及び出力端（６４）を有する、少なくとも１本の光拡散性光ファイバ（１２）、
   を備え、
   前記少なくとも１本の光拡散性光ファイバ（１２）の前記入力端（６２）が前記少なくとも１本の低散乱導光性光ファイバ（５４）の前記出力端（５８）に着脱可能な態様で光結合され、前記少なくとも１本の光拡散性光ファイバ（１２）が、前記低散乱導光性光ファイバ（５４）から前記誘導光を受取り、前記誘導光の少なくとも一部を、前記ナノサイズ構造（３２）により散乱して、前記ガラスコア（２０）から前記外周面（４８）を通して出すように構成されて、散乱光がそれにわたって連続的に放射される少なくとも１つの長さＬを有する、発光する光拡散性光ファイバ（１２）を形成し、
   前記少なくとも１本の光拡散性光ファイバ（１２）が、前記誘導光の少なくとも一部を１つ以上の第１の他の波長に変換するための、１つ以上の第１の蛍光体を含み、
   前記照明システム（５０）が、さらに、前記１つ以上の第１の他の波長の伝搬を阻止または低減する、前記少なくとも１本の光拡散性光ファイバ（１２）の前記出力端（６４）に光結合された、少なくとも１つのフィルタまたは吸収体（７６）を備え、
   前記照明システム（５０）が、
   ガラスコア（２０）、前記コア（２０）を囲むクラッド層（４０）及び前記コア（２０）内またはコア−クラッド層境界に配された複数のナノサイズ構造（３２）を有し、さらに、外周面（４８）及び前記少なくとも１本の光拡散性光ファイバ（１２）の前記出力端（６４）に光結合された入力端（６２ａ）を有する、少なくとも１本の第２の光拡散性光ファイバ（１２ａ）、
   をさらに備え、
   前記少なくとも１本の第２の光拡散性光ファイバ（１２ａ）が、前記少なくとも１本の光拡散性光ファイバ（１２）から残余誘導光を受取り、前記残余誘導光の少なくとも一部を、前記ナノサイズ構造（３２）により散乱して、前記ガラスコア（２０）から前記外周面（４８）を通して出すように構成されて、散乱光がそれにわたって放射される少なくとも１つの連続長Ｌを有する、発光する光拡散性光ファイバ（１２ａ）を形成し、
   前記少なくとも１本の第２の光拡散性光ファイバ（１２ａ）は前記少なくとも１本の光拡散性光ファイバ（１２）に着脱可能な態様で結合され、
   前記少なくとも１本の第２の光拡散性光ファイバ（１２ａ）が、前記残余誘導光の少なくとも一部を１つ以上の第２の他の波長に変換するための、１つ以上の第２の蛍光体を含み、前記１つ以上の第２の他の波長は前記１つ以上の第１の他の波長とは異なることを特徴とする、照明システム。

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