JP7319321B2 - 光拡散ファイバ及びその使用方法 - Google Patents

Description

本発明は、光拡散ファイバ及びその使用方法に関する。

光ファイバでは、通常、光源から入射端に入力された光は、コアを中心としてクラッドに染み出した状態で伝播する。クラッドに染み出した光は、エバネッセント波といわれる。光拡散ファイバでは、クラッドに微粒子が添加されている。エバネッセント波の光は、クラッドの微粒子に当たると散乱する。この散乱光は、光拡散ファイバの側方への発光となってイルミネーションや各種照明等に利用される。

ところで、光拡散ファイバにおいては、光源に近い部分では高い発光強度が得られる一方、光源から遠くなるに従って、伝播する光が減衰するため、発光強度は指数関数的に弱くなるという問題がある。この問題に対し、特許文献１には、光拡散ファイバの出射端に反射膜を設けることにより、長さ方向に沿った発光強度の均一化を図ることが開示されている。

国際公開第２０１７／１９９３６７号

本発明の課題は、長さ方向に発光状態をアクティブに変化させることができる光拡散ファイバを提供することである。

本発明は、内側コアと、前記内側コアを被覆する内側クラッドと、前記内側クラッドを被覆する外側コアと、前記外側コアを被覆する光散乱体を含む外側クラッドとを備えた多重コア構造と、前記多重コア構造における前記内側コアを伝搬する光をファイバ外部に取り出す光取り出し手段とを有する光拡散ファイバである。

本発明によれば、多重コア構造における内側コア及び外側コアへの光の励振態様を操作することにより、外側クラッドからファイバ外部に取り出される外側コアを伝播する光と、光取り出し手段から取り出される内側コアを伝播する光との使い分けにより、長さ方向に発光状態をアクティブに変化させることができる。

実施形態１に係る光拡散ファイバの模式的な縦断面図である。 図１ＡにおけるIB-IB断面図である。 図１ＡにおけるIC-IC断面図である。 実施形態２に係る光拡散ファイバの一部分の縦断面図である。 実施形態２に係る光拡散ファイバの使用状態を示す説明図である。

以下、実施形態について図面に基づいて詳細に説明する。

（実施形態１）
図１Ａ乃至Ｃは、実施形態１に係る光拡散ファイバ１０を示す。この光拡散ファイバ１０は、例えば自動車の室内ランプやコンビネーションランプ、イルミネーション、各種照明等に用いられるものである。

実施形態１に係る光拡散ファイバ１０は、二重コア構造（多重コア構造）を有する光ファイバの第１ファイバ部分１１と、単一コア構造を有する光ファイバの第２ファイバ部分１２とが接続されて構成されている。なお、実施形態１に係る光拡散ファイバ１０は、これらの第１ファイバ部分１１及び第２ファイバ部分１２を被覆する透明なジャケットを有していてもよい。

第１ファイバ部分１１の光ファイバが有する二重コア構造は、内側コア１１１と、その内側コア１１１に接触して被覆する内側クラッド１１２と、その内側クラッド１１２に接触して被覆する外側コア１１３と、その外側コア１１３に接触して被覆する外側クラッド１１４とを備える。二重コア構造は、断面形状が円形の内側コア１１１がファイバ中心に設けられるとともに、その内側コア１１１を中心として、各々、断面形状が環状の層の内側クラッド１１２、外側コア１１３、及び外側クラッド１１４が、内側から外側に向かって連続するように同心状に設けられている。

内側コア１１１は、例えば高屈折率の石英で形成されている。内側コア１１１を形成する石英は、純粋石英であることが好ましいが、ＧｅやＰ等の屈折率を高めるドーパントがドープされた石英であってもよい。

内側クラッド１１２は、例えば内側コア１１１よりも低屈折率の石英で形成されている。内側クラッド１１２を形成する石英は、ＦやＢ等の屈折率を下げるドーパントがドープされた石英であることが好ましい。

外側コア１１３は、例えば内側クラッド１１２よりも高屈折率の石英で形成されている。外側コア１１３を形成する石英は、内側コア１１１と同様、純粋石英であることが好ましいが、ＧｅやＰ等の屈折率を高めるドーパントがドープされた石英であってもよい。外側コア１１３は、内側コア１１１と同一材料で形成されていてもよい。

外側クラッド１１４は、そのクラッド本体が例えば外側コア１１３よりも低屈折率のシリコーン樹脂やアクリル樹脂で形成されている。外側クラッド１１４は、クラッド本体の層内に分散したクラッド本体とは屈折率の異なる光散乱体Ｓを含む。光散乱体Ｓとしては、例えば、粉状の樹脂、セラミックス、金属などの他、気泡等も挙げられる。

第２ファイバ部分１２の光ファイバが有する単一コア構造は、コア１２１と、そのコア１２１に接触して被覆するクラッド１２２とを備える。第２ファイバ部分１２のコア１２１及びクラッド１２２は、それぞれ第１ファイバ部分１１の外側コア１１３及び外側クラッド１１４と同様の構成を有する。したがって、コア１２１は、第１ファイバ部分１１の内側コア１１１及び外側コア１１３が光学的に結合している。クラッド１２２は、その層内に分散した光散乱体Ｓを含む。

上記の構成の実施形態１に係る光拡散ファイバ１０において、例えば半導体レーザ等の光源からの光で、二重コア構造を有する第１ファイバ部分１１の入射端の全体を均一に励振すると、第１ファイバ部分１１では、内側コア１１１に入射した光は、概ねそのまま内側コア１１１を伝播する。一方、外側コア１１３に入射した光は、外側コア１１３を含む領域を中心として、外側クラッド１１４にエバネッセント波の光が染み出した状態で伝播する。外側クラッド１１４に染み出したエバネッセント波の光は、外側クラッド１１４の光散乱体Ｓに当たって散乱することによりファイバ外部に放射されて側方への発光となる。

第２ファイバ部分１２では、第１ファイバ部分１１の内側コア１１１を伝播した光及び外側コア１１３を伝播した光が入射する。これらの光は、コア１２１を中心として、クラッド１２２にエバネッセント波の光が染み出した状態で伝播する。クラッド１２２に染み出したエバネッセント波の光は、クラッド１２２の光散乱体Ｓに当たって散乱することによりファイバ外部に出射されて側方への発光となる。

ここで、第２ファイバ部分１２には、上記の通り、第１ファイバ部分１１の内側コア１１１を伝播した光及び外側コア１１３を伝播した光が入射するが、これらのうちの後者は、第１ファイバ部分１１での発光に消費されて減衰している。一方、前者は、第１ファイバ部分１１での減衰がほとんどない。そのため、第２ファイバ部分１２においては、主として、第１ファイバ部分１１の内側コア１１１を伝播した減衰の少ない光に起因した光がファイバ外部に放射されて側方への発光となる。つまり、実施形態１に係る光拡散ファイバ１０では、第２ファイバ部分１２が、第１ファイバ部分１１の内側コア１１１を伝搬する光をファイバ外部に取り出す光取り出し手段を構成する。このように、実施形態１に係る光拡散ファイバ１０では、光源に近い第１ファイバ部分１１と、光源から遠い第２ファイバ部分１２との間での発光強度の均一化を図ることができる。

また、実施形態１に係る光拡散ファイバ１０において、光源からの光で入射端における内側コア１１１を中心に図１ＡのＸ部分を励振した場合には、内側コア１１１には相対的に多量の光が入射するものの、外側コア１１３には相対的に少量の光しか入射しない。そのため、第１ファイバ部分１１の発光強度は相対的に低くなる一方、第２ファイバ部分１２の発光強度は相対的に高くなる。光源からの光で入射端における外側コア１１３を中心に図１ＡのＹ部分を励振した場合には、内側コア１１１には相対的に少量の光しか入射しないが、外側コア１１３には多量の光が入射する。そのため、第１ファイバ部分１１の発光強度は相対的に高くなる一方、第２ファイバ部分１２の発光強度は相対的に低くなる。このように、実施形態１に係る光拡散ファイバ１０では、入射端における励振位置を変化させ、内側コア１１１及び外側コア１１３に光量の異なる光を入射させることにより、第１ファイバ部分１１及び第２ファイバ部分１２の発光強度を変えることができる。

さらに、実施形態１に係る光拡散ファイバ１０では、内側コア１１１を中心に図１ＡのＸ部分を例えば赤色の波長の光で励振するとともに、外側コア１１３を中心に図１ＡのＹ部分を例えば青色の波長の光で励振した場合には、第１ファイバ部分１１では青色の発光が得られるとともに、第２ファイバ部分１２では赤色の発光が得られる。つまり、内側コア１１１及び外側コア１１３に異なる色の波長の光を入射させることにより、第１ファイバ部分１１及び第２ファイバ部分１２の発光色を変えることができる。

したがって、実施形態１に係る光拡散ファイバ１０によれば、第１ファイバ部分１１の二重コア構造における内側コア１１１及び外側コア１１３への光の励振態様を操作することにより、外側クラッド１１４からファイバ外部に取り出される外側コア１１３を伝播する光と、光取り出し手段から取り出される内側コア１１１を伝播する光との使い分けにより、長さ方向に発光状態をアクティブに変化させることができる。

（実施形態２）
図２Ａ及びＢは、実施形態２に係る光拡散ファイバ１０を示す。なお、実施形態１と同一名称の部分は、実施形態１と同一符号で示す。

実施形態２に係る光拡散ファイバ１０は、全長に渡って実施形態１に係る光拡散ファイバ１０の第１ファイバ部分１１と同様の二重コア構造（多重コア構造）を有する。そして、その長さ方向の中間部に曲げ構造１３が設けられている。この曲げ構造１３では、内側コア１１１を伝播する光が内側クラッド１１２を介して外側コア１１３に漏洩して伝播する。そのため、曲げ構造１３よりも光源側とは反対側の部分においては、外側コア１１３を伝播した光に起因した光に加えて、内側コア１１１を伝播した光に起因した光もファイバ外部に放射されて側方への発光となる。つまり、実施形態２に係る光拡散ファイバ１０では、曲げ構造１３及びそれよりも光源側とは反対側の部分が、内側コア１１１を伝搬する光をファイバ外部に取り出す光取り出し手段を構成する。外側コア１１２を伝播した光は、曲げ構造１３よりも光源側の部分での発光に消費されて減衰しているが、曲げ構造１３よりも光源側とは反対側の部分において、内側コア１１１を伝播した光に起因した光を、外側コア１１２を伝播した光に起因した光よりも優先的に発光させる観点からは、内側コア１１１の外側クラッド１２２に対するＮＡよりも、外側コア１１２の外側クラッド１２２に対するＮＡの方が高いことが好ましい。

上記の構成の実施形態２に係る光拡散ファイバ１０において、光源からの光で、二重コア構造を有する第１ファイバ部分１１の入射端の全体を均一に励振すると、曲げ構造１３までの部分では、外側コア１１３を伝播した光に起因した光がファイバ外部に放射されて側方への発光となる。ここで、曲げ構造１３を、光の減衰により発光強度が低くなる位置に設けておけば、曲げ構造１３よりも光源側とは反対側の部分では、外側コア１１３に漏洩した内側コア１１１を伝播した減衰の少ない光に起因した光も加わり、それらがファイバ外部に放射されて側方への発光となるため、その発光強度は回復する。このように、実施形態２に係る光拡散ファイバ１０では、曲げ構造１３の前後間での発光強度の均一化を図ることができる。

また、実施形態２に係る光拡散ファイバ１０では、入射端における励振位置を変化させ、内側コア１１１及び外側コア１１３に光量の異なる光を入射させることにより、曲げ構造１３の前後の発光強度を変えることができる。さらに、実施形態２に係る光拡散ファイバ１０では、内側コア１１１及び外側コア１１３に異なる色の波長の光を入射させることにより、曲げ構造１３の前後の発光色を変えることができる。その他の作用効果は、実施形態１と同一である。

（その他の実施形態）
上記実施形態１では、二重コア構造を有する第１ファイバ部分１１と、単一コア構造を有する第２ファイバ部分１２とを接続した構成としたが、特にこれに限定されるものではなく、三重以上の多重コア構造を含む構成であってもよく、例えば第１乃至第３内側コア及び第１乃至第３クラッドと、外側コア及び外側クラッドとを有する四重コア構造、第１乃至第２内側コア及び第１乃至第２内側クラッドと、外側コア及び外側クラッドとを有する三重コア構造、内側コア及び内側クラッドと、外側コア及び外側クラッドとを有する二重コア構造、並びに単一コア構造を順に連結した構成であってもよい。このとき、ｎ重コア構造と（ｎ－１）重コア構造とは、ｎ重コア構造における第（ｎ－１）内側コアが、（ｎ－１）重コア構造における外側コアに光学的に結合していればよい。

上記実施形態２では、曲げ構造１３を一つ有する構成としたが、特にこれに限定されるものではなく、曲げ構造１３を複数有する構成であってもよい。

本発明は、光拡散ファイバ及びその使用方法の技術分野について有用である。

１０ 光拡散ファイバ
１１ 第１ファイバ部分
１１１ 内側コア
１１２ 内側クラッド
１１３ 外側コア
１１４ 外側クラッド
１２ 第２ファイバ部分（光取り出し手段）
１２１ コア
１２２ クラッド
１３ 曲げ構造（光取り出し手段）
Ｓ 光散乱体

Claims (4)

1. 内側コアと、前記内側コアを被覆する内側クラッドと、前記内側クラッドを被覆する外側コアと、前記外側コアを被覆する外側クラッドとを備えた多重コア構造と、
   前記多重コア構造における前記内側コアを伝搬する光をファイバ外部に取り出す光取り出し手段と、
   を有し、
   前記多重コア構造は、前記内側コア、前記内側クラッド、及び前記外側コアが光散乱体を含まない一方、前記外側クラッドが光散乱体を含み、
   前記光取り出し手段は、前記多重コア構造の光源側とは反対側に接続されるとともに、前記内側コアに結合したコアと、前記コアを被覆する光散乱体を含むクラッドとを備えた光ファイバで構成されている光拡散ファイバ。
2. 内側コアと、前記内側コアを被覆する内側クラッドと、前記内側クラッドを被覆する外側コアと、前記外側コアを被覆する外側クラッドとを備え、長さ方向の中間部に曲げ構造が設けられた多重コア構造と、
   前記多重コア構造における前記内側コアを伝搬する光をファイバ外部に取り出す光取り出し手段と、
   を有し、
   前記多重コア構造は、前記内側コア、前記内側クラッド、及び前記外側コアが光散乱体を含まない一方、前記外側クラッドが光散乱体を含み、
   前記光取り出し手段は、前記多重コア構造における前記曲げ構造及びそれよりも光源側とは反対側の部分で構成されている光拡散ファイバ。
3. 請求項１又は２に記載された光拡散ファイバの使用方法であって、
   前記多重コア構造における前記内側コア及び前記外側コアに光量の異なる光を入射させる光拡散ファイバの使用方法。
4. 内側コアと、前記内側コアを被覆する内側クラッドと、前記内側クラッドを被覆する外側コアと、前記外側コアを被覆する光散乱体を含む外側クラッドとを備えた多重コア構造と、
   前記多重コア構造における前記内側コアを伝搬する光をファイバ外部に取り出す光取り出し手段と、
   を有する光拡散ファイバの使用方法であって、
   前記多重コア構造における前記内側コア及び前記外側コアに異なる色の波長の光を入射させる光拡散ファイバの使用方法。

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