KR102032533B1 - 광 섬유 조명 시스템 및 방법 - Google Patents

광 섬유 조명 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

적어도 하나의 광-확산 광 섬유를 포함하는 조명 시스템이 개시된다. 상기 조명 시스템은 적어도 하나의 광-확산 광 섬유를 적어도 하나의 광원에 광학적으로 연결시키는 적어도 하나의 저-산란 광-전도 광 섬유를 포함한다. 광-확산 광 섬유는 산란 광이 연속적으로 발광하는 길이를 가진 광원 섬유부를 포함한다. 광원 섬유부는 코일 형상으로 권취된 것을 포함하여 구부려질 수 있다. 광-확산 광 섬유는 광-확산 광 섬유 내에 이동하는 안내 광을, 섬유의 외부 표면 밖으로 산란시키도록 구성된 복수의 나노 크기 구조체를 포함한다.

Description

광 섬유 조명 시스템 및 방법{OPTICAL FIBER ILLUMINATION SYSTEMS AND METHODS}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은, 2011년 10월 7일에 출원된 미국 특허 출원 제 13/269055호의 우선권 주장 출원이며, 상기 미국 특허 출원은 본원에 참조로서 병합된다.
본 발명은 일반적으로 나노 크기 구조체 영역을 가진 광 확산 광섬유에 관한 것으로, 특히, 생물 반응 장치, 간판, 특별한 조명 기술을 포함하는 서로 다른 적용물을 위해 상기와 같은 섬유를 이용하는 조명 시스템 및 방법에 관한 것이다.
광 섬유는 광이 광원으로부터 원격지로 전달될 필요가 있는 다양한 적용물에 사용된다. 예를 들면, 광 통신 시스템은 서비스 제공자로부터 시스템의 최종 사용자로 광을 전송하는 광 섬유 네트워크에 의존한다.
통신용 광 섬유는, 흡수 및 산란으로 인해, 단지 감쇠의 상대적으로 낮은 레벨인 800nm 내지 1675nm 범위의 근-적외선 파장에서 동작하도록 설계된다. 이는, 섬유의 일측 말단에 주입되는 대부분의 광이 섬유의 마주보는 타측 말단에서 빠져나가도록 하고, 이때 적은 광의 양만이 섬유의 측면들을 통해 주변으로 빠져나간다.
최근에는, 종래의 섬유보다 굽힘에 덜 민감한 광 섬유를 가질 필요성이 증가하고 있다. 이는, 단단하게 구부려지는 광 섬유를 필요로 하는 구성에 점점 많아지는 통신 시스템이 배치되기 때문이다. 이러한 필요성은 코어 영역을 둘러싸는, 비-주기적으로 배치된 작은 보이드의 링을 이용하는 광 섬유의 개발을 유도하고 있다. 링을 포함한 보이드는 굴곡 둔감성을 증가시키고, 즉, 섬유는 광신호 통과의 감쇠의 현저한 변화가 없이 보다 작은 굽힘 반경을 가질 수 있다. 이러한 섬유에서, 링 영역을 포함한 보이드는 코어로부터 떨어진 광 섬유의 클래딩에 위치함으로써, 링 영역을 포함한 보이드를 통한 광 전파의 양을 최소화시킬 수 있는데, 이는 광 손실이 커질 수 있기 때문이다.
광섬유가 섬유의 일측 말단으로부터 섬유의 타측 말단으로 장거리 간에 광을 효율적으로 전달하도록 통상적으로 설계되었기 때문에, 매우 적은 광이 통상적인 섬유의 측면들로부터 빠져나갈 수 있으며, 이에 따라 광섬유는 뻗어진 조명 원을 형성하는데 있어 이용하기에 적합한 것으로 고려되지 않는다. 여전하게, 특수 조명, 간판, 또는 생물학적 적용물 등의 적용물이 다수 개 존재하고, 이때 상기 생물학적 적용물은 선택적인 광량이 지정된 구역에 효율적인 방식으로 제공될 필요가 있는 광-바이오에너지 및 바이오매스 연료(biomass fuels)의 박테리아 성장 및 제품을 포함한다. 바이오매스의 성장에 있어서, 바이오매스-기반 연료로 광 에너지를 변환하는 처리를 개발할 필요가 있다. 특수 조명에 있어서, 광원은 얇고, 유연하며, 서로 다른 다양한 형상으로 손쉽게 변경될 필요가 있다.
본 발명의 목적은 일반적으로 나노 크기 구조체 영역을 가진 광 확산 광섬유에 관한 것으로, 특히, 생물 반응 장치, 간판, 특별한 조명 기술을 포함하는 서로 다른 적용물을 위해 상기와 같은 섬유를 이용하는 조명 시스템 및 방법을 제공하는 것에 있다.
일부 실시예들에 따라서, 본 발명의 제 1 양태는 200 nm 내지 2000 nm 범위 내에 적어도 하나의 파장(λ)을 갖는 광을 발생시키는 조명 시스템이다. 상기 시스템은 광원 및 적어도 하나의 광-확산 광 섬유를 포함한다. 광-확산 광 섬유는 유리 코어 및 클래딩을 가진다. 복수의 나노 크기 구조체들(본원에서 "나노 구조체"라고도 함)은 상기 유리 코어 내에 또는 코어-클래딩 경계부(boundary)에 위치된다. 광 섬유는 또한 외부 표면, 및 상기 광원에 광학적으로 연결된 말단을 포함한다. 광 섬유는 유리 코어로부터 나노 크기 구조체를 통하여, 그리고 외부 표면을 통하여 안내 광을 산란시켜, 길이를 갖는 광원 섬유부를 형성하도록 구성되고, 이때 상기 광원 섬유부는 섬유의 길이에 걸쳐 실질적으로 균일한 복사를 방출하고, 상기 섬유는 상기 파장에 대해 50 dB/km보다 큰 산란 유도 감쇠를 가진다. 일부 실시예들에 따라서, 섬유에 연결된 광원은 200 nm 내지 500 nm 파장 범위에서 광을 발생시키고, 섬유 코팅의 형광 물질은 백색, 녹색, 적색 또는 NIR(근적외선, near infrared) 광을 발생시킨다.
일부 실시예들에 따라서, 조명 시스템은 단일 광-확산 광 섬유를 포함한다. 다른 실시예들에 따라서, 조명 시스템은 복수의 광-확산 광 섬유들을 포함한다. 이러한 광-확산 광 섬유들은 직선 구성(straight configuration)에서 이용될 수 있거나, 구부려 질 수 있다.
일부 대표적인 실시예들에 따라서, 조명 시스템은 생물학적 성장 시스템에 대해 사용될 수 있고, 생물학적 물질을 함유하도록 구성된 내부를 가진 생물학적 챔버를 더 포함할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 광원은, 생물학적 물질이 민감한 파장을 갖는 광을 발생시킨다. 섬유는 중심 축으로부터, 코어 외부로, 그리고 외부 표면을 통하여 안내 광을 산란시키기 위해 형성된 복수의 굽힘부를 가질 수 있어, 길이를 가진 광원 섬유부를 형성할 수 있고, 이때 상기 광원 섬유부는 길이에 걸쳐 실질적으로 균일한 복사를 방출한다.
일부 실시예들에 따라서, 조명 시스템은 200 nm 내지 2000 nm의 적어도 하나의 파장을 가진 광을 발생시키는 적어도 하나의 광원을 포함한다. 조명 시스템은 또한 상기 적어도 하나의 광원에 광학적으로 연결된 입력단과, 출력단을 가지며, 그리고 상기 적어도 하나의 광원에 의해 수신된 광을 안내 광으로서 상기 출력단에 제공하도록 구성된 적어도 하나의 저-산란 광-전도 광 섬유를 포함한다. 조명 시스템은 또한, 유리 코어와, 1 차 클래딩과, 상기 코어 내에 또는 코어-클래딩 경계부에 위치한 복수의 나노 크기 구조체를 가진 적어도 하나의 광-확산 광 섬유를 가진다. 상기 적어도 하나의 광-확산 광 섬유는 외부 표면과, 그리고 적어도 하나의 저-산란 광-전도 광 섬유의 출력단에 광학적으로 연결된 입력단을 가진다. 적어도 하나의 광-확산 광 섬유는 상기 저-산란 광-전도 광 섬유로부터 상기 안내 광을 수신하고, 상기 코어로부터 상기 나노 크기 구조체를 통해, 그리고 상기 외부 표면을 통하여 상기 안내 광을 산란시킴으로써, 상기 산란 광이 연속적으로 발광되는 길이를 가진 광원 섬유부를 형성하도록 구성된다. 예시에서, 광-확산 광 섬유는 광원의 특정 파장에 대해 50 dB/km보다 큰 산란 유도 감쇠를 가진다.
일부 실시예들에 따라서, 본 발명의 또 다른 양태는 광을 발광시키는 광원으로부터 조명을 실행시키는 방법을 포함한다. 상기 방법은 상기 광원으로부터 광-확산 광 섬유로 광을 안내 광으로 처리하되, 저-산란 광-전송 광 섬유를 통하여 처리하는 단계를 포함한다. 광-확산 광 섬유는 길이와, 유리 코어와, 상기 유리 코어를 둘러싸고 코어-클래딩 경계부를 정의한 클래딩과, 외부 표면과, 그리고 상기 유리 코어 내에 또는 상기 코어-클래딩 경계부에 배치된 나노 크기 구조체를 가진다. 나노 크기 구조체는 광-확산 광 섬유에서 이동하는 안내 광을 코어로부터, 그리고 외부 표면으로부터 외부로 산란시켜 광-확산 광 섬유의 길이에 걸쳐 연속적으로 발광된 안내 광을 형성하도록 구성된다.
본 발명의 적어도 일부 실시예들 중 하나의 이점은, 원격 위치로 광을 효율적으로 전달하는 광 섬유의 성능을 이용하는 조명 시스템 및 방법이라는 점이며, 그리고 상기와 같은 섬유가 적용물의 필요성을 맞춰주기 위해 서로 다른 형상(예를 들면, 굽힘형, 코일형 또는 직선형)으로 배치될 시에도 상대적으로 균일하게 광을 산란시킬 수 있다는 점이다. 게다가, 본 발명의 일부 실시예들 중 하나의 이점은, 본 발명의 대표적인 실시예들 중 적어도 일부에 따른 광-확산 광 섬유들이 약한 파장 의존성을 갖는 조명을 제공할 수 있다는 점이며, 200 nm 내지 2000 nm 파장 범위 내의 산란 손실 LS은 λ-p에 비례하고, 여기서 p는 0 이상 2 미만, 바람직하게 1 미만, 그리고 보다 바람직하게 0.5 미만 또는 심지어 보다 바람직하게 0.3 미만이다. 본 발명의 적어도 일부 실시예들 중 또 다른 이점은, 길이를 따라 실질적으로 균일한 산란을 가질 수 있는 능력이 있어(예를 들면, 최대로부터 50% 미만, 보다 바람직하게 30% 미만 변화), 섬유의 축으로부터 떨어진 각도 공간에서 (섬유 축으로부터) 전후방 90 도의 산란 세기가 거의 동일하다는 점이다(예를 들면, 서로 30% 이내, 바람직하게는 서로 20% 이내).
적어도 일부 실시예들에서, 조명 파장에서 광 섬유의 측면들을 통해 들어오는 통합적인 광 세기의 변화(즉, 확산 또는 산란 광의 세기 변화)는 광 섬유의 타겟 길이에 대해 30 % 미만이다.
적어도 일부 실시예들에서, 섬유의 평균 산란 손실은 50 dB/km보다 크고, 산란 손실은 주어진 0.2 m 길이의 섬유 세그먼트에 걸쳐 30 %를 초과하여 변화하지 않는다(즉, 산란 손실은 평균 산란 손실의 ± 30 % 이내). 적어도 일부 실시예들에 따라서, 섬유의 평균 산란 손실은 50 dB/km보다 크고, 산란 손실은 0.05 m 길이 미만의 섬유 세그먼트들에 걸쳐 30%를 초과하여 변화하지 않는다. 적어도 일부 실시예들에 따라서, 섬유의 평균 산란 손실은 50 dB/km보다 크고, 산란 손실은 0.01 m 길이의 섬유 세그먼트들에 걸쳐 30%를 초과하여(즉, ±30%) 변화하지 않는다.
본 발명의 일부 실시예들에 따른 섬유들과, 상기와 같은 섬유들을 이용하는 조명 시스템의 하나의 이점은, 섬유가 광원으로서 작동하고, 섬유의 말단으로부터 광의 세기 및 국부적인 빔을 전달하기보다는 오히려, 섬유의 측면들을 통하여 광을 균일하게 산란시킴으로써, 원하는 매체를 조명한다는 점이다. 나아가, 일부 실시예들에서, 섬유의 사용은 전기적으로 구동되는 광원이 광 전달의 지점(들)로부터 떨어져 유지하도록 하는 것이 바람직하다. 이러한 점은 전기 구성 요소가 전도성 또는 반응성 환경에서 안전 거리에 위치할 수 있는 수중 환경 또는 잠재적으로 폭발 위험이 있는 환경에 가장 이점이 될 것입니다.
이해하는 바와 같이, 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명은 발명의 실시 예를 나타내는 것이며, 청구항으로 발명의 본질 및 특성을 이해하기 위해 개요 또는 체제를 제공하기 위해 의도된다. 첨부된 도면은 본 발명의 추가적인 이해를 제공하기 위해 포함되며, 명세서의 일부에 통합되어 구성된다. 도면은 본 발명의 다양한 실시예를 예시하고 상세한 설명과 함께 발명의 원리 및 작동을 설명하는 기능을 한다.
발명의 추가적인 특징 및 장점은 하술할 상세한 설명에서 설명될 것이고, 기술 분야의 통상의 기술자는 부분적으로 설명을 통하거나, 청구항 및 첨부된 도면과 함께 다음의 설명에 기술된 대로 실행함으로써, 인지할 수 있을 것이다. 청구항은 아래 명시된 상세한 설명의 일부에 통합되고 구성된다.
도 1은 광-확산 광 섬유의 예시 실시예의 개략적인 일부 측면도;
도 2는 도 1의 2-2 방향으로 절개하여 본 광 섬유의 개략적인 단면도;
도 3a는 광-확산 광 섬유의 대표적인 실시예를 위해, 상대 굴절률 대 섬유 반경을 개략적으로 도시한 도면;
도 3b는 광-확산 광 섬유의 또 다른 대표적인 실시예를 위해, 상대 굴절률 대 섬유 반경을 개략적으로 도시한 도면;
도 3c는 광-확산 광 섬유의 유리 코어의 대표적인 구성을 도시한 도면;
도 4a 및 4b는 dB/m 단위인 섬유 감쇠 (손실) 대 파장(nm)을 도시한 도면;
도 5는 단일 섬유 내에 2 개의 광 통과 섬유를 사용하는 섬유 배치를 도시한 도면;
도 6a는 균일한 장력(예시 A) 및 변화가능한 장력(예시 B)으로 섬유가 제조될 시에 섬유를 따른 세기 분포를 도시한 도면;
도 6b는 백색 잉크를 가진 산란 분포 함수와, 그리고 잉크가 없는 산란 분포 함수를 도시한 도면;
도 7은 도 5에 도시된 섬유에 대한 산란(섬유의 후단에 연결된 반사 미러를 가짐)과, 그리고 섬유 코팅에 백색 잉크를 사용한 섬유에 대한 산란을 도시한 도면;
도 8a는 조명 시스템의 대표적인 실시예를 도시한 도면;
도 8b는 플라스크(flask)의 형태를 한 생물학적 챔버와 결합하여 사용된 조명 시스템의 예시 실시예를 도시한 도면;
도 9a는 도 8b의 조명 시스템과 유사하고 광-확산 광 섬유의 일 단에서 미러를 포함한 예시 조명 시스템의 측면도;
도 9b는 도 9a와 유사하고, 다수의 광-확산 광 섬유들 각각에 광학적으로 연결된 다수의 저-산란 광-전도 광 섬유들을 사용한 조명 시스템의 예시를 도시한 도면;
도 10a는 도 9a와 유사한 또 다른 예시 조명 시스템이지만, 이때 광-확산 광 섬유는 루프(loop)를 형성하기 위해 만곡되어 있는 것을 도시한 도면;
도 10b는 도 10a와 유사하고, 광-확산 광 섬유의 말단에 광학적으로 연결된 미러를 더 포함하며, 그리고 광이 광원으로 다시 돌아가지 못하도록 저-산란 광-전도 광 섬유에 배치된 선택적인 아이솔레이터(isolator)를 가지는 것을 도시한 도면;
도 10c는 도 10a 및 도 10b와 유사하고, 조명 시스템의 실시예를 도시한 도면으로서, 이때 광-확산 광 섬유의 말단들은 광 커플러에 광학적으로 연결된 것을 도시한 도면;
도 11은 도 10c와 유사한 조명 시스템의 예시 실시예를 도시하지만, 이때 2 개의 광원 및 저-산란 광-전도 광 섬유의 각각의 부분들이 광-확산 광 섬유 내에 역전파로(counter-propagating) 안내된 광을 제공하기 위해 사용되는 것을 도시한 도면;
도 12a는 도 9a와 유사한 조명 시스템의 예시 실시예의 측면도이지만, 이때 광원은 다수의 광원 소자들을 포함하는 것을 도시한 도면;
도 12b는 도 12a와 유사하고, 저-산란 광-전도 광 섬유들이 굽어져 해당 광-확산 광 섬유들이 선택 위치에서 각각의 산란 광을 통해 조명을 제공할 수 있는 것을 도시한 도면;
도 13a는 오목 미러를 포함한 예시 조명 시스템의 단면도로서, 이때 광-확산 광 섬유의 광원부는 권취된 구성을 가지고, 실질적으로 오목 미러의 초점에(즉, 초점에, 또는 초점 근방에) 실질적으로 위치한 것을 도시한 도면; 및
도 13b는 도 13a와 유사하고, 원통형 미러의 초점 라인을 따라 일반적으로 배치된 다수의 광-확산 광 섬유들을 포함한 조명 시스템의 실시예를 도시한 도면이다.
본 발명의 추가적인 특징 및 이점은 이하의 상세한 설명으로부터 나타날 것이고, 기술 분야의 통상의 기술자는 설명을 통하거나, 청구항 및 첨부된 도면과 함께 다음의 설명에 기술된 대로 실행함으로써, 인지할 수 있을 것이다.
참조 번호는 본원의 바람직한 실시예들, 첨부된 도면에 도시된 예시들을 상세하게 만들어 줄 것이다. 가능하다면, 동일 또는 유사 참조 번호는 동일 또는 유사 부품들을 언급하기 위해 도면을 통해 사용된다. 이해하여야 하는 바와 같이, 본원에서 개시된 실시예들은 단지 예시들이고, 이들 예시 각각은 본원의 특정 이점을 포함한다.
다양한 변형 및 대체는 본원의 권리 범위 내에서 다음의 예시로 구현될 수 있고, 서로 다른 예시들의 양태들은 추가적인 예시들을 달성하기 위해, 서로 다른 방식으로 혼합될 수 있다. 이에 따라서, 본원의 실제 권리 범위는 본원 전체로부터 이해되어야 하되, 본원에 기술된 실시예들에 한정되어서는 아니되도록 이해하여야 한다.
정의
용어들, 예를 들면, "수평(horizontal)", "수직(vertical)", "앞(front)", "뒤(back)" 등과, 그리고 데카르트 좌표(Cartesian Coordinates)의 사용은 도면의 참조를 위해서, 그리고 설명의 용이성을 위한 것이며, 설명 또는 청구항에서 절대적인 배향 및/또는 방향으로 엄격하게 제한되지는 않는다.
본원 이하의 설명에서, 다음 용어 및 어구는 나노 크기 구조체를 가진 광-확산 광 섬유들과 관련하여 사용된다.
"굴절률 프로파일"은 굴절률 또는 상대 굴절률과 그리고 도파관 (섬유) 반경 간의 관계를 나타낸다.
"상대 굴절률 퍼센트"는 다음과 같이 정의된다.
Figure 112014041715467-pct00001
,
여기서, n(r)은 별다른 규정이 없는 이상, 반경 r에서의 굴절률이다. 상대 굴절률 퍼센트는 별다른 규정이 없는 이상, 850 nm에서 정의된다. 일 양태에서, 기준 굴절률(reference index)(nREF)은, 850 nm에서 굴절률이 1.452498인 실리카 유리이고, 또 다른 양태에서, 850 nm에서 클래딩 유리의 최대 굴절률이다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 상대 굴절률은 △로 표기되고, 상대 굴절률의 값은 별다른 규정이 없는 이상, "%" 단위로 주어진다. 일 영역의 굴절률이 기준 굴절률(nREF) 미만인 경우, 상대 굴절률 퍼센트는 음이며, 이는 저하된 영역 또는 저하된 굴절률을 의미하며, 그리고 최소 상대 굴절률은, 별다른 규정이 없는 이상, 상대 굴절률이 대부분 음인 지점에서 계산된다. 일 영역의 굴절률이 기준 굴절률(nREF)을 초과하는 경우, 상대 굴절률 퍼센트는 양이며, 상기 영역은 상승된 것을 의미하거나, 양의 굴절률을 가질 수 있다.
"업도펀트(updopant)"는 본원에서, 순수하게 비도핑된 SiO2에 대해 굴절률이 큰 경향을 가진 도펀트를 의미한다. "다운도펀트(downdopant)"는 본원에서, 순수하게 비도핑된 SiO2에 대해 유리 굴절률이 낮은 경향을 가진 도펀트를 의미한다. 업도펀트는, 업도펀트가 아닌 하나 이상의 다른 도펀트들에 의해 동반될 시에, 음의 상대 굴절률을 가진 광 섬유의 영역에 존재할 수 있다. 이와 마찬가지로, 업도펀트가 아닌 하나 이상의 다른 도펀트는 양의 상대 굴절률을 가진 광 섬유의 영역에서 존재할 수 있다. 다운도펀트는, 다운도펀트가 아닌 하나 이상의 다른 도펀트에 의해 동반될 시에, 양의 상대 굴절률을 가진 광 섬유의 영역에 존재할 수 있다.
이와 마찬가지로, 다운도펀트가 아닌 하나 이상의 다른 도펀트는 음의 상대 굴절률을 가진 광 섬유의 영역에서 존재할 수 있다.
용어 "α-프로파일" 또는 "알파 프로파일"은 상대 굴절률 프로파일을 의미하고, 상기 상대 굴절률 프로파일은 "%"의 단위인 △(r)의 용어로 표기되고, 여기서 r은 반경이며, 다음과 같다
Figure 112014041715467-pct00002
,
여기서, ro는 △(r)이 최대가 되는 지점이고, r1은 △(r)%가 제로가 되는 지점이고, 그리고 r은 ri ≤ r ≤ rf의 범위에 속하고, △은 상기에서 정의된 바와 같고, ri은 α-프로파일의 초기 지점이고, rf는 α-프로파일의 최종 지점이며, 그리고 α는 실수인 지수이다.
그러므로, 본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "포물선(parabolic)"은 실질적으로 포물선으로 형성된 굴절률 프로파일을 포함하고, 상기 굴절률 프로파일은 코어에서 하나 이상의 지점들에서 2.0의 α 값으로부터 다소 변화될 수 있고, 이뿐 아니라 작은 변화 및/또는 중심선 딥(centerline dip)을 가진 프로파일로부터도 다소 변화될 수 있다. 일부 대표적인 실시예들에서, α는 850 nm에서, 1.5보다 크고, 2.5보다 작고, 보다 바람직하게 1.7 내지 2.3이며, 그리고 보다 바람직하게 1.8 내지 2.3이다. 다른 실시예들에서, 굴절률 프로파일의 하나 이상의 세그먼트는 850 nm에서 측정된 바와 같이, 실질적으로 8보다 크고, 보다 바람직하게 10보다 크고, 심지어 보다 바람직하게 20보다 큰 α 값을 가진 실질적인 계단형 굴절률 형상(step index shape)을 가진다.
용어 "나노 구조 섬유 영역"는, 큰 수(50 초과)의 기체 충전 보이드들을 가진 영역 또는 구역(area)을 가지거나, 또는 다른 나노 크기 구조체, 예를 들면, 섬유 단면에서, 50보다 큰, 100보다 큰, 또는 200보다 큰 보이드들을 가진 영역 또는 구역을 가진 섬유를 나타낸다. 기체 충전 보이드들은 예를 들면, SO2, Kr, Ar, CO2, N2, O2, 또는 이들의 혼합물을 함유할 수 있다. 본원에서 기술된 바와 같이, 나노 크기 구조체(예를 들면, 보이드)의 단면 크기(예를 들면, 직경)는 10 nm 내지 1 ㎛ (예를 들면, 50 nm - 500 nm)일 수 있고, 길이는 1 밀리미터 내지 50 미터(예를 들면, 2 mm 내지 5 미터, 또는 5 mm 내지 1 m 범위)일 수 있다.
표준 단일 모드 또는 다중 모드 광 섬유들에서, 1300 nm 미만의 파장 손실은 레일레이 산란(Rayleigh scattering)에 의해 두드러진다. 이러한 레일레이 산란 손실 LS는 물질 속성에 의해 결정되고, 그리고 통상적으로 가시 파장(400-700 nm)에 대해 약 20 dB/km가 된다. 레일레이 산란 손실은 또한 강한 파장 의존성을 가지는데(즉, LS ∝ 1/λ4, 도 4b에서, 비교용 섬유 A 참조), 이는 적어도 약 1 km 내지 2 km의 섬유가 95%의 입력 광보다 크게 소멸될 필요가 있다는 것을 의미한다. 상기와 같은 섬유가 짧은 길이를 갖는다면, 상기 섬유는 조명 효율이 낮아지게 되는 한편, 길이가 긴(1 km 내지 2 km, 또는 그 이상) 섬유를 사용한다면, 비용이 많이 들고 관리하기가 어려워진다. 생물 반응 장치 또는 다른 조명 시스템에 섬유가 긴 길이를 사용한다면, 설치하기가 어려울 수 있다.
광 적용의 특정 구성에 있어서, 섬유 길이를 짧게, 예를 들면, 1-100 미터로 사용하는 것이 바람직하다. 이는 섬유로부터 산란 손실의 증가를 요구하는 반면, 우수한 각도 산란 속성(섬유의 축으로부터 광이 균일하게 소멸됨)과, 그리고 섬유 굽힘에서 명점(bright spots)을 피하기 위한 우수한 굽힘 성능을 유지할 수 있다. 본원에 기술된 본 발명의 실시예들 중 적어도 일부의 바람직한 특성은 섬유 조명기의 길이를 따라 균일하고, 조명이 높다는 것이다. 광 섬유가 유연하기 때문에, 조명 형상의 폭 넓은 변화는 전개될 수 있다. 섬유의 굽힘 점(bending points)에서 (높은 굽힘 손실로 인해) 명점이 없고, 그 결과 섬유에 의해 제공되는 조명이 30%를 초과하여 변화될 수 없고, 변화되더라도 바람직하게 20% 미만, 보다 바람직하게 10% 미만만큼 변화되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 적어도 일부 실시예들에서, 섬유의 평균 산란 손실은 50 dB/km보다 크고, 산란 손실은 주어진 섬유 세그먼트의 0.2 m 길이에 대해 30%보다 크지 않게 변화된다(즉, 산란 손실은 주어진 섬유 세그먼트의 0.2 m 길이에 대해 평균 산란 손실의 ±30% 내에 있음). 적어도 일부 실시예들에 따라서, 섬유의 평균 산란 손실은 50 dB/km보다 크고, 산란 손실은 0.05 m 길이보다 작은 섬유 세그먼트에 대해 30% 보다 크게 변화하지 않는다. 적어도 일부 실시예들에 따라서, 섬유의 평균 산란 손실은 50 dB/km보다 크고, 산란 손실은 0.01 m 길이를 가진 섬유 세그먼트에 대해 30% 보다 크게 변화하지 않는다(즉, ±30%). 적어도 일부 실시예들에 따라서, 섬유의 평균 산란 손실은 50 dB/km보다 크고, 산란 손실은 20%(즉, ±20%)보다 크게 변화하지 않고, 변화되더라도 바람직하게 0.01 m 길이를 가진 섬유 세그먼트에 대해 10%(즉, ±10%) 보다 크지 않을 만큼 변화된다.
적어도 일부 실시예들에서, 조명 파장에서 섬유의 측면들을 통하여 입사하는 통합적인(확산된) 광 세기의 세기 변화는, 예를 들면, 0.02-100 m 길이일 수 있는 섬유의 타겟 길이에 대해 30% 미만이다. 주목하는 바와 같이, 규정된 조명 파장에서 섬유의 측면들을 통한 통합적인 광 세기의 세기는 클래딩 또는 코팅에 형광 물질을 포함함으로써 변화될 수 있다. 형광 물질에 의해 광 산란의 파장은 섬유에 전파되는 광 파장과는 다르다.
다음의 대표적인 실시예들 일부에서, 섬유의 코어 구역 또는 코어에 매우 근접한 구역에 위치한 나노 구조 섬유 영역(나노 크기 구조체를 가진 영역)을 가진 섬유 설계를 기술한다. 섬유 실시예들 일부는 50 dB/km를 초과한(예를 들면, 100 dB/km 보다 큰, 200 dB/km 보다 큰, 500 dB/km 보다 큰, 1000 dB/km 보다 큰, 3000 dB/km 보다 큰, 5000 dB/km 보다 큰) 산란 손실을 가지며, 산란 손실(및 이러한 섬유들에 의해 발광된 조명 또는 광)은 각도 공간(angular space)에서 균일해진다.
섬유가 구부려질 시에, 명점을 줄이기 위해서는, 또는 명점을 제거하기 위해서는, 섬유가 90°로 구부려질 시에(굽힘 직경이 50 mm 미만일 시), 감쇠의 증가가 5 dB/turn 미만(예를 들면, 3 dB/turn 미만, 2 dB/turn 미만, 1 dB/turn 미만) 인 것이 바람직하다. 대표적인 실시예에서, 이렇게 낮은 굽힘 손실은 굽힘 직경을 작게 하여, 예를 들면, 20 mm 미만, 10 mm 미만, 나아가 5 mm 미만으로 하여 달성된다. 바람직하게, 감쇠의 총 증가는 5 mm의 굽힘 반경에서 90도 선회 당(per 90 degree turn) 1dB 미만이 된다.
바람직하게, 일부 실시예들에 따라서, 굽힘 손실은 직선 섬유의 코어로부터 고유한 산란 손실과 같거나, 상기 산란 손실보다 작다. 고유한 산란(intrinsic scattering)은 나노 크기 구조체로부터의 산란으로 인해 두드러진다. 이로써, 적어도 광 섬유의 굽힘 비감광성 실시예들에 따라서, 굽힘 손실은 섬유에 대해 고유한 산란을 초과하지 않는다. 그러나, 산란 레벨이 굽힘 직경의 함수이기 때문에, 섬유의 굽힘 배치는 산란 레벨에 의존한다. 예를 들면, 일부 실시예들에서, 섬유는, 3 dB/turn 미만, 바람직하게 2 dB/turn 미만의 굽힘 손실을 가지고, 섬유는 명점을 형성함 없이, 5 mm 반경만큼 작은 반경의 호로 구부려질 수 있다.
또한, 이하에 설명에 있어, 일부 실시예들에서, 산란된 화학선 광(scattered actinic light)이 광반응 물질(photoreactive material)로 제공되거나 전달되는데, 이때 상기 산란된 화학선 광이 타당한 지속 기간 동안 광반응 물질에 광화학 반응을 실행시키기는데 충분한 세기를 가진다고 가정한다.
광-확산 광 섬유
도 1은 중심 축("중심선")(16)을 가진 광-확산 광 섬유(이하에서 "섬유"라고도 함)(12)의 예시 실시예 일부의 개략적인 측면도이다. 도 2는 도 1의 2-2 방향 을 따라 절개한 광-확산 광 섬유(12)의 개략적인 단면도이다. 섬유(12)는 예를 들면, 주기성 또는 비-주기성 나노 크기 구조체(32)(예를 들면, 보이드)를 가진 나노 구조 섬유 영역을 구비한 다양한 유형의 광 섬유 중 임의의 하나일 수 있다. 예시 실시예에서, 섬유(12)는 3 개의 부분들 또는 영역들로 나누어진 코어(20)를 포함한다. 이러한 코어 영역들은 고형물 중앙부(solid central portion)(22), 나노-구조 링부(nano-structured ring portion)(내부 환형 코어 영역)(26), 및 상기 내부 환형 코어 영역(26)을 둘러싼 외부 고형물 부(28)를 포함한다. 클래딩 영역(40)("클래딩")은 환형 코어(20)를 둘러싸고, 외부 표면을 가진다. 클래딩(40)은 높은 개구수(NA)를 제공하기 위해 낮은 굴절률을 가질 수 있다. 클래딩(40)은 예를 들면, UV 또는 열로 경화 가능한 플루오로아크릴레이트(thermally curable fluoroacrylate) 또는 실리콘 등의 저 굴절률 폴리머일 수 있다.
선택적인 코팅(44)은 클래딩(40)을 둘러싼다. 코팅(44)은 모듈러스(modulus)가 낮은 1 차 코팅 층 및 모듈러스가 큰 2 차 코팅 층을 포함할 수 있다. 적어도 일부 실시예들에서, 코팅 층(44)은 아크릴레이트 기반 또는 실리콘 기반 폴리머 등의 폴리머 코팅을 포함한다. 적어도 일부 실시예들에서, 코팅은 섬유의 길이를 따라 일정한 직경을 가진다.
이하에 기술된 다른 대표적인 실시예들에서, 코팅(44)은, 클래딩(40)을 통하여 코어(20)로부터 진행되는 "발광(radiated light)"의 분포 및/또는 특성을 강화시키도록 설계된다. 클래딩(40)의 외부 표면 또는 선택적인 코팅(44)의 외부는 섬유(12)의 "측면들"(48)을 나타내고, 이때 상기 측면들(48)을 통하여 섬유에 이동하는 광은 본원에서 기술된 바와 같이, 산란을 통해 빠져나가게 된다.
보호 커버 또는 외피부(sheath)(미도시)는 선택적으로 클래딩(40)을 덮는다. 섬유(12)는 불소화(fluorinated) 클래딩(40)을 포함할 수 있지만, 상기 불소화 클래딩은 필요하지 않을 수 있는데, 이 경우는 섬유들이, 누설 손실이 조명 속성을 저하시키지 않는 짧은 길이의 적용물에 사용되는 경우이다.
일부 대표적인 실시예들에서, 섬유(12)의 코어 영역(26)은 복수의 비-주기적으로 배치된 나노 크기 구조체(예를 들면, "보이드(voids)")(32)를 가진 유리 매트릭스(glass matrix)("유리")(31)를 포함하고, 이때 상기 나노 크기 구조체에는 예를 들면, 도 2의 확대 도면에서 상세하게 도시된 예시 보이드들 등이 위치한다. 또 다른 예시 실시예에서, 보이드들(32)은 예를 들면, 광 결정(photonic crystal) 광 섬유에 주기적으로 배치될 수 있고, 보이드들은 통상적으로 약 1x10-6 m 내지 1x10-5 m의 직경을 가진다. 보이드들(32)은 비-주기적으로 또는 임의로 배치될 수도 있다. 일부 대표적인 실시예에서, 영역(26)의 유리(31)는 플루오르로 도핑된 실리카인 반면, 다른 실시예에서 유리는 비도핑된 순수 실리카이다. 바람직하게 보이드들의 직경은 적어도 10 nm이다.
나노 크기 구조체(32)는 코어(20)로부터 광을 산란시키되, 섬유의 외부 표면을 향하여 산란시킨다. 산란 광은 그 후에, 원하는 조명을 제공하기 위해 섬유(12)의 외부 표면을 통하여 "확산"된다. 즉, 대부분의 광은 섬유 길이를 따라 섬유(12)의 측면들을 통하여 (산란을 통해) 확산된다. 바람직하게, 섬유는 섬유 길이에 걸쳐 실질적으로 균일한 복사(uniform radiation)를 방출하고, 섬유는 방출된 복사(조명 파장)의 파장(들)로 50 dB/km 보다 큰 산란 유도 감쇠를 가진다. 바람직하게, 산란 유도 감쇠는 이러한 파장에 대해 100 dB/km보다 크다. 일부 실시예들에서, 산란 유도 감쇠는 이러한 파장에 대해 500 dB/km보다 크며, 그리고 일부 실시예들에서, 1000 dB/km이며, 2000 dB/km보다 크며, 그리고 5000 dB/km보다 크다. 이렇게 높은 산란 손실은 표준 단일 모드 및 다중 모드 광 섬유들에서 레일레이 산란 손실보다 약 2.5 내지 250 배 높다.
유리로 제조된 코어 영역들(22 및 28)은 Ge, Al 및/또는 P 등의 업도펀트를 포함할 수 있다. "비-주기적으로 배치되거나" 또는 "비-주기적인 분포"에 의해, 의미하는 바와 같이, 광 섬유(도 2에 도시된 바와 같음)의 단면을 볼 시에, 보이드들(32)은 섬유의 일부를 가로질러 임의로 또는 비-주기적으로 분포된다. 섬유 길이를 따른 서로 다른 지점에서 얻어진 유사한 단면은 서로 다른 단면의 보이드 패턴을 보여주고, 즉, 다양한 단면은 서로 다른 보이드 패턴을 가질 수 있고, 보이드 분포와 보이드 크기는 일치하지 않는다. 즉, 보이드들은 비-주기적이고, 즉, 섬유 구조 내에 주기적으로 배치되지 않는다. 이러한 보이드들은 광 섬유의 길이(즉 길이 방향 축에 대해 평행)를 따라 늘어져 있지만(길게 형성되어 있고), 그러나 전송 섬유의 통상적인 길이에 대한 전체 섬유의 전체 길이로 뻗어 있지 않는다. 이론에 얽혀 매여지는 것을 원치는 않지만, 기대되는 바와 같이, 보이드들은 10 미터 미만으로 뻗어지고, 다수의 경우에서 섬유의 길이를 따라 1 미터보다 작다
이하에서 논의된 조명 시스템에서 본원에서 사용되는 바와 같이, 섬유(12)는 모재 강화 조건(preform consolidation conditions)을 이용하는 방법에 의해 구현될 수 있고, 이때 상기 강화 조건은 강화된 유리 블랭크(blank)에서 트랩되는(trapped) 기체의 상당한 양을 초래하고, 이로 인해 강화된 유리 광 섬유 모재에는 보이드들의 형태가 있게 된다. 이러한 보이드들을 제거하기 위한 단계들을 취하기 보다는 오히려, 최종적인 모재가 보이드들 또는 상기 보이드들 내의 나노 크기 구조체를 가진 광 섬유를 형성하기 위해 사용된다. 최종적인 섬유의 나노 크기 구조체 또는 보이드는 섬유 길이를 따라서 섬유 측면들을 통하여 섬유 외부로 광을 산란 또는 안내하는데 사용된다. 즉, 광은 원하는 조명을 제공하기 위해, 섬유의 외부 표면을 통하여, 코어(20)로부터 안내된다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 보이드 등의 나노 크기 구조체의 직경은 가장 긴 라인 세그먼트이며, 상기 세그먼트의 종점은 a) 광 섬유를 섬유의 길이 방향 축에 대해 수직을 이룬 횡 단면을 볼 시에 나타난다. 나노 크기의 보이드를 가진 광 섬유들을 제조하는 방법은, 예를 들면, 참조로서 본원에 병합된 미국 특허 출원 제11/583,098호에 기술된다.
상술된 바와 같이, 섬유(12)의 일부 실시예들에서, 코어 부분들(22 및 28)은 게르마늄으로 도핑된 실리카를 포함하고, 즉, 게르마니아로 도핑된 실리카를 포함한다. 게르마늄 이외에 다른 도펀트는, 단독으로 또는 조합하여, 코어 내에 사용될 수 있되, 특히, 섬유의 중심선(16)에서 또는 그 근방에서 사용됨으로써, 원하는 굴절률 및 밀도를 얻을 수 있다. 적어도 일부 실시예들에서, 본원에서 기술된 광 섬유의 상대 굴절률 프로파일(refractive index profile)은 부분들(22 및 28)에서 음이 아니다. 이러한 도펀트들은, 예를 들면, Al, Ti, P, Ge, 또는 이들의 조합일 수 있다. 적어도 일부 실시예들에서, 광 섬유는 코어에서 굴절률 감소 도펀트를 함유하지 않는다. 일부 실시예들에서, 본원에서 개시된 광 섬유의 상대 굴절률 프로파일은 부분들(22, 24 및 28)에서 음이 아니다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 섬유(12)의 일부 예시에서, 코어(20)는 순수 실리카를 포함한다. 일 실시예에서, 섬유의 바람직한 속성은, 생물학적 물질이 감광성이거나, 광반응 물질에서 광화학 반응을 일으키는 원하는 스펙트럼 범위에서 섬유 외부로 광을 산란시키는(즉, 광을 확산시키는) 성능이다. 또 다른 실시예에서, 산란 광은 장식용 특징(decorative accents) 및 백색 광 적용을 위해 사용될 수 있다. 산란을 통한 손실 양은 섬유의 유리의 속성과, 나노-구조 영역(26)의 폭과, 그리고 나노 크기 구조체의 크기 및 밀도를 변화시킴으로써, 증가될 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 섬유(12)의 일부 예시에서, 코어(20)는 그레이드형 굴절률(graded-index) 코어이고, 바람직하게, 코어의 굴절률 프로파일은 포물선(또는 실질적으로 포물선) 형상을 가진다; 예를 들면, 일부 실시예들에서, 코어(20)의 굴절률 프로파일은 850 nm에서 측정된 바와 같이, 약 2, 바람직하게 1.8 내지 2.3인 α 값을 가진 α-형상을 가진다. 다른 실시예들에서, 굴절률 프로파일의 하나 이상의 세그먼트들은 850 nm에서 측정된 바와 같이, 8보다 큰, 보다 바람직하게 10보다 큰, 보다 바람직하게 20보다 큰 α 값을 가진, 실질적인 계단형 굴절률 형상을 가진다. 일부 실시예들에서, 코어의 굴절률은 중심선 딥을 가질 수 있고, 코어의 최대 굴절률, 그리고 전체 광 섬유의 최대 굴절률은 중심선(16)으로부터 짧게 떨어져 있지만, 다른 실시예들에서, 코어의 굴절률은 중심선 딥을 가지지 않고, 코어의 최대 굴절률, 그리고 전체 광 섬유의 최대 굴절률은 중심선에 있게 된다.
대표적인 실시예에서, 섬유(12)는 실리카 기반 코어(20) 및 (실리카에 대해) 굴절률이 저하된 폴리머 클래딩(40)을 가진다. 굴절률이 낮은 폴리머 클래딩(40)은 바람직하게 음이고, 보다 바람직하게 -0.5% 미만, 심지어 보다 바람직하게 -1% 미만인 상대 굴절률을 가진다. 일부 대표적인 실시예들에서, 클래딩(40)은 20 ㎛ 이상의 두께를 가진다. 일부 대표적인 실시예들에서, 클래딩(40)은 코어보다 낮은 굴절률을 가지고, 10 ㎛ 이상의 두께를 가진다(예를 들면, 20 ㎛ 또는 그 이상). 일부 대표적인 실시예들에서, 클래딩은 예를 들면, 약 125 ㎛(예를 들면, 120 ㎛ 내지 130 ㎛, 또는 123 ㎛ 내지 128 ㎛)의 2 배의 외부 직경(Rmax)을 가진다. 다른 실시예들에서, 클래딩은 120 ㎛ 미만, 예를 들면 60 또는 80 ㎛인 직경을 가진다. 다른 실시예들에서, 클래딩의 외부 직경은 200 ㎛보다 크고, 300 ㎛보다 크거나, 500 ㎛보다 크다. 일부 실시예들에서, 클래딩의 외부 직경은 섬유(12)의 길이를 따라 일정한 직경을 가진다. 일부 실시예들에서, 섬유(12)의 굴절률은 방사상 대칭을 가진다. 바람직하게, 코어(20)의 외부 직경 2R3은 섬유의 길이를 따라 일정하다. 바람직하게, 코어 부분들(22, 26, 28)의 외부 직경은 또한 섬유의 길이를 따라 일정하다. 일정하도록, 평균 값에 대한 직경의 변화는 10% 미만, 바람직하게 5% 미만, 그리고 보다 바람직하게 2% 미만이다.
도 3a는 도 2에 도시된(실선) 예시 섬유(12)에 대한 섬유 반경 대 대표적인 상대 굴절률 Δ의 표시를 도시한다. 코어(20)는, 예를 들면 1.7 내지 2.3(예를 들면, 1.8 내지 2.3)의 α-값만큼 특징이 지어지는 그레이드형 코어 프로파일도 가질 수 있다. 대안적인 대표적인 굴절률 프로파일은 점선으로 도시된다. 코어 영역(22)은 중심선으로부터 외부 반경(R1) 외부로 방사상으로 뻗어나가고, 최대 굴절률(n1) (및 상대 굴절률 퍼센트(Δ1MAX))에 대응하는 상대 굴절률 프로파일(Δ1(r))을 가진다. 이러한 실시예에서, 기준 굴절률(nREF)은 클래딩에서의 굴절률이다. 제 2 코어 영역(나노-구조 영역)(26)은 최소 굴절률(n2), 상대 굴절률 프로파일(Δ2(r)), 최대 상대 굴절률(Δ2MAX) 및 최소 상대 굴절률(Δ2MIN)을 가지고, 일부 실시예들에서 Δ2MAX = Δ2MIN 이다. 제 3 코어 영역(28)은 최대 굴절률(n3), 최대 상대 굴절률(Δ3Max) 및 최소 상대 굴절률(Δ3MIN)을 가진 상대 굴절률 프로파일(Δ3(r))을 가지고, 일부 실시예들에서 Δ3MAX = Δ3MIN이다. 이러한 실시예에서, 환형 클래딩(40)은 굴절률(n4), 최대 상대 굴절률(Δ4MAX) 및 최소 상대 굴절률(Δ4MIN)을 가진 상대 굴절률 프로파일(Δ4(r))을 가진다. 일부 실시예들에서 Δ4MAX = Δ4MIN. 일부 실시예들에서, Δ1MAX > Δ4MAX이고, Δ3MAX > Δ4MAX이다. 일부 실시예들에서 Δ2MIN > Δ4MAX 이다. 도 2 및 3a에 도시된 실시예에서, Δ1MAX > Δ3MAX > Δ2MAX > Δ4MAX이다. 이러한 실시예에서, 영역들의 굴절률은 다음 관계 n1 > n3 > n2 > n4를 가진다.
일부 실시예들에서, 코어 영역들(22, 28)은, 일정한 Δ1(r) 및 Δ3(r)으로 도 3a에 도시된 바와 같이, 실질적으로 일정한 굴절률 프로파일을 가진다. 이러한 일부 실시예들에서, Δ2(r)은 다소 양이거나(0 < Δ2(r) < 0.1%), 음이거나(-0.1% < Δ2(r) <0) 또는 0%이다. 일부 실시예들에서, Δ2(r)의 절대 크기(absolute magnitude)는 0.1% 미만, 바람직하게 0.05% 미만이다. 일부 실시예들에서, 외부 클래딩 영역(40)은 일정한 Δ4(r)로 도 3a에 도시된 바와 같이, 실질적으로 일정한 굴절률 프로파일을 가진다. 이러한 일부 실시예들에서, Δ4(r) = 0%이다. 코어 부분(22)은 Δ1(r) ≥ 0%인 굴절률을 가진다. 일부 실시예들에서, 보이드-충전 영역(26)은 상대 굴절률 프로파일 Δ2(r)을 가지며, 이때 상기 상대 굴절률 프로파일 Δ2(r)은 0.05% 미만의 절대 크기를 가진 음의 굴절률을 가지고, 코어 영역(28)의 Δ3(r)은 예를 들면, 양 또는 0일 수 있다. 적어도 일부 실시예들에서, n1 > n2이고, n3 > n4이다.
일부 실시예들에서, 클래딩(40)은 -0.05% < Δ4(r) < 0.05%인 굴절률을 가진다. 다른 실시예들에서, 클래딩(40) 및 코어 부들(20, 26 및 28)은 순수 (비도핑된) 실리카를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 클래딩(40)은 순수 실리카 또는 F로 도핑된 실리카를 포함한다. 일부 실시예들에서, 클래딩(40)은 굴절률이 낮은 순수 폴리머를 포함한다. 일부 실시예들에서, 나노-구조 영역(26)은 복수의 보이드들(32)을 포함한 순수 실리카를 포함한다. 바람직하게, 나노-구조 영역(26)의 임의의 보이드들의 존재를 고려한 최소 상대 굴절률 및 평균 유효 상대 굴절률 둘 다는 -0.1% 미만이다. 보이드들 또는 보이드들(32)은 아르곤, 질소, 산소, 크립톤(krypton), 또는 SO2 등의 하나 이상의 기체를 포함할 수 있거나, 또는 실질적으로 기체가 없는 진공을 포함할 수 있다. 그러나, 기체가 있든 없든 상관없이, 나노-구조 영역(26)에서 평균 굴절률은 보이드들(32)의 존재로 인해 낮다. 보이드들(32)은 나노-구조 영역(26)에서 임의적으로 또는 비-주기적으로 배치될 수 있고, 다른 실시예들에서, 보이드들은 본원에서 주기적으로 배치된다.
일부 실시예들에서, 복수의 보이드들(32)은 복수의 비-주기적으로 배치된 보이드들 및 복수의 주기적으로 배치된 보이드들을 포함한다.
예시 실시예들에서, 코어 부분(22)은 게르마니아(germania)로 도핑된 실리카를 포함하고, 코어 내부 환형 영역(28)은 순수 실리카를 포함하며, 그리고 클래딩 환형 영역(40)은 유리 또는 굴절률이 낮은 폴리머를 포함한다. 이러한 일부 실시예들에서, 나노-구조 영역(26)은 순수 실리카에 복수의 보이드들(32)을 포함하고; 그리고 이러한 실시예들 중 다른 실시예에서, 나노-구조 영역(26)은 플루오르(fluorine)로 도핑된 실리카에 복수의 보이드들(32)을 포함한다.
일부 실시예들에서, 코어의 외부 반경(Rc)은 10 ㎛보다 크고 600 ㎛보다 작다. 일부 실시예들에서, 코어의 외부 반경(Rc)은 30 ㎛ 보다 크고, 그리고/또는 400 ㎛보다 작다. 예를 들면, Rc는 125 ㎛ 내지 300 ㎛일 수 있다. 다른 실시예들에서, 코어(20)의 외부 반경(Rc)(특히, 도 3a에 도시된 실시예에서 Rc = R3임)은 50 ㎛보다 크고 250 ㎛보다 작다. 코어(20)의 중앙부(22)는 0.1Rc ≤ R1 ≤ 0.9Rc, 바람직하게 0.5Rc ≤ R1 ≤ 09Rc 범위에 속한 반경을 가진다. 나노 구조 링 영역(26)의 폭(W2)은 바람직하게 0.05Rc ≤ W2 ≤ 0.9Rc, 바람직하게 0.1Rc ≤ W2 ≤ 0.9Rc, 그리고 일부 실시예들에서 0.5Rc ≤ W2 ≤ 0.9Rc(보다 폭이 넓은 나노-구조 영역은 나노 크기 구조체의 동일한 밀도를 위해, 보다 높은 산란 유도 감쇠를 제공함)이다. 고형물 유리 코어 영역(28)은 폭 Ws=W3을 가지고, 그 결과 0.1Rc > W 3 > 0.9Rc가 된다. 코어(20) 각각의 부분은 실리카 기반 유리를 포함한다. 나노-구조 영역(26)의 반경 폭(W2)은 바람직하게 1 ㎛보다 크다. 예를 들면, W2는 5 ㎛ 내지 300 ㎛, 바람직하게 200 ㎛ 미만일 수 있다. 일부 실시예들에서, W2는 2 ㎛보다 크고 100 ㎛ 미만이다. 다른 실시예들에서, W2는 2 ㎛보다 크고 50 ㎛ 미만이다. 다른 실시예들에서, W2는 2 ㎛보다 크고 20 ㎛ 미만이다. 일부 실시예들에서, W2는 적어도 7 ㎛이다. 다른 실시예들에서, W2는 2 ㎛보다 크고 12 ㎛ 미만이다. 코어 영역(28)의 폭(W3)은 (R3-R2)이며, 그리고 그의 중심점(R3MID)은 (R2+R3)/2이다. 일부 실시예들에서, W3는 1 ㎛보다 크고 100 ㎛미만이다.
섬유(12)의 개구수(numerical aperture, NA)는 바람직하게, 섬유로 광을 나가게 하는 광원의 NA 이상이다. 바람직하게, 섬유(12)의 개구수(NA)는 0.2보다 크고, 일부 실시예들에서 0.3보다 크고, 심지어 보다 바람직하게 0.4보다 크다.
일부 실시예들에서, 제 1 코어 영역(22)의 코어 외부 반경(R1)은 바람직하게 24 ㎛보다 작지 않고, 50 ㎛보다 크지 않고, 즉 코어 직경은 약 48 내지 100 ㎛이다. 다른 실시예들에서, R1 > 24 마이크론이고; 여전히 다른 실시예에서, R1 > 30 마이크론이며; 여전히 다른 실시예들에서, R1 > 40 마이크론이다.
일부 실시예들에서, 환형 내부 부(26)의 반경 폭의 50% 보다 큰 경우에는 |Δ2(r) | < 0.025%이고, 다른 실시예들에서, 영역(26)의 반경 폭의 50%보다 큰 경우에는 |Δ2(r) | < 0.01%이다. 저하된 굴절률 환형부(26)는 클래딩의 상대 굴절률이 우선 -0.05% 미만의 값에 이르는 곳에서 시작되어, 중심선으로부터 방사상 외부 방향으로 진행한다. 일부 실시예들에서, 클래딩(40)은 0.1% 미만의 최대 절대 크기를 가진 상대 굴절률 프로파일(Δ4(r))을 가지고, 이러한 실시예에서 Δ4MAX < 0.05%이고 Δ4MIN > -0.05%이며, 그리고 저하된 굴절률 환형부(26)는 최외곽 보이드가 발견되는 곳에서 종료된다.
클래딩 구조(40)는 광 섬유의 최외곽 주변부이기도 한 반경(R4)으로 뻗어나간다. 일부 실시예들에서, 클래딩의 폭(R4-R3)은 20 ㎛보다 크고; 다른 실시예들에서, R4-R3은 적어도 50 ㎛이며, 그리고 일부 실시예들에서, R4-R3는 적어도 70 ㎛이다.
또 다른 실시예에서, 전체 코어(20)는 나노 구조를 하고 있고(예를 들면, 보이드들로 채워짐), 그리고 코어(20)는 클래딩(40)에 의해 둘러싸인다. 코어(20)는 "계단형" 굴절률 델타를 가질 수 있거나, 또는 그레이드형 코어 프로파일을 가질 수 있고, 이때 α-프로파일은 예를 들면, 1.8 내지 2.3의 α-값을 가진다.
섬유들(12)을 형성하기 위해 사용된 광 모재(미도시)의 준비는 대표적인 일 실시예에서 형성되고, 470 그램의 SiO2(0.5 g/cc 밀도) 수트(soot)는, 완전하게 강화된 1 미터 길이를 가지고, 20 mm 직경의 보이드가 없는 순수 실리카 코어 케인(cane) 상에 OVD(outside vapor deposition)를 통하여 증착되어, 수트 실리카 영역에 의해 둘러싸인, 강화되고 보이드가 없는 실리카 코어 영역을 포함한 모재 어셈블리(때때로는 모재 또는 광 모재라고도 함)를 초래한다. 그 후, 이러한 모재 어셈블리의 수트 클래딩은 다음과 같이 소결된다. 모재 어셈블리는 우선 용광로의 상부 존 부분(upper-zone part)에서, 1100 ℃로 헬륨 및 3 퍼센트 염소(모든 퍼센트 기체 부피)를 포함한 대기에서 2 시간 동안 건조되고, 그 후에, 100 퍼센트 SO2(부피) 소결 대기에서 약 1500 ℃로 설정된 핫 존(hot zone)을 통하여, 200 mm/min로 하향 구동된다(하향 구동 처리 동안 수트 모재의 외부에 대해 약 100 ℃/min 온도 증가에 대응함). 모재 어셈블리는 100 mm/min의 속도로 핫 존을 통하여 다시(즉, 2 번) 하향 구동된다(하향 구동 처리 동안 수트 모재의 외부에 대해 약 50 ℃/min 온도 증가에 대응함). 그 후, 모재 어셈블리는 50 mm/min의 속도로 핫 존을 통하여 다시(즉, 3 번) 하향 구동된다(하향 구동 처리 동안 수트 모재의 외부에 대해 약 25 ℃/min 온도 증가에 대응함). 그 후, 모재 어셈블리는 25 mm/min의 속도로 핫 존을 통하여 다시(즉, 4 번) 하향 구동되고(하향 구동 처리 동안 수트 모재의 외부에 대해 약 25 ℃/min 온도 증가에 대응함), 최종적으로 수트를 SO2-시드화(seeded) 실리카 오버클래드 모재로 소결시키기 위해 6 mm/min(약 3 ℃/min 속도로 가열)로 소결된다. 다음 각각의 하향 구동 단계(downdrive step)에서, 모재 어셈블리는 용광로의 상부 존 부분으로 200 mm/min로 상향 구동된다(1100 ℃ 설정으로 남아 있음). 제 1 일련의 높은 하향 공급 속도는 광 섬유 모재의 외부를 광내기 위해(glaze) 사용되고, 상기 광내는 것은 모재에 기체의 트랩핑(trapping)을 용이하게 한다. 모재는 그 후에, 모재에서 잔류한 헬륨 기체를 없애기 위해 1000 ℃로 설정된 아르곤 정화 유지 오븐에 24 시간 동안 위치한다. 그 후, 이러한 모재는 약 1700 ℃로 설정된 종래의 흑연 재인발식 용광로(graphite redraw furnace) 상의 아르곤 대기에서 재인발되되, 보이드가 없는 SiO2 코어, SO2-시드화(즉, SO2 기체를 함유한 비-주기적으로 위치한 보이드들을 함유함) 실리카 오버클래드 케인(직경이 10 mm이고 길이는 1 미터임)으로 재인발된다.
10 mm 케인들 중 하나는, 약 190 그램의 추가적인 SiO2(0.52 g/cc 밀도) 수트가 OVD를 통하여 증착되는 선반(lathe)에 다시 위치된다. 그 후에, 이러한 어셈블리를 위한 이러한 클래딩의 수트(오버클래딩이라 할 수 있음)는 다음과 같이 소결된다. 어셈블리는 우선 1100 ℃에서 헬륨 및 3 퍼센트 염소로 구성된 대기에서 2 시간 동안 건조되고, 그 다음으로 보이드가 없는 실리카 코어, 실리카 SO2-시드화 링(즉, SO2를 함유한 보이드들을 가진 실리카), 및 보이드가 없는 오버클래드 모재를 함유한 게르마니아에 수트를 소결시키기 위해, 100 % 헬륨(부피) 대기에서 1500 ℃로 설정된 핫 존을 통하여 5 mm/min로 하향 구동된다. 모재는 모재로부터 잔류한 헬륨 기체를 없애기 위해 1000 ℃로 설정된 아르곤 정화 유지 오븐에 24 시간 동안 위치한다. 광 섬유 모재는 흑연 저항 용광로(graphite resistance furnace)의 헬륨 대기에서, 약 1900 ℃ 내지 2000 ℃로 3 km 길이의 125 마이크론 직경 광 섬유로 인발된다. 광 모재의 온도는 광 섬유 장력을 모니터링하고 제어함으로써, 제어된다; 이러한 실시예에서, 섬유 장력은 각 부분이 섬유 인발 처리되는 동안(예를 들면, 3 km 길이), 30 내지 600 그램의 하나의 값에 유지된다. 섬유는 인발 공정 동안 굴절률이 낮은 실리콘에 기반한 코팅으로 코팅된다.
상술된 또 다른 10 mm의 보이드가 없는 실리카 코어 SO2-시드화 실리카 오버클래드 케인들(즉, 제 2 케인)은 예를 들면, 도 4b에 도시된 광 모재 및 섬유들을 제조하기 위해 이용된다. 특히, 제 2 10 mm의 보이드가 없는 실리카 코어 SO2-시드화 실리카 오버클래드 케인은 약 3750 그램의 추가적인 SiO2(0.67 g/cc 밀도) 수트가 OVD를 통하여 증착되는 선반(lathe)에 다시 위치된다. 그 후, 이러한 클래딩의 수트(이러한 어셈블리를 위한 오버클래딩이라 할 수 있음)는 다음과 같이 소결된다. 어셈블리는 우선 1100 ℃에서 헬륨 및 3 퍼센트 염소를 포함한 대기에서 2 시간 동안 건조되고, 그 후에, 100 % 헬륨(부피) 대기에서 1500 ℃로 설정된 핫 존을 통하여 5 mm/min으로 하향 구동함으로써, 보이드가 없는 실리카 코어, 실리카 SO2-시드화 링(즉, SO2를 함유한 보이드들을 가진 실리카), 및 보이드가 없는 오버클래드를 함유한 게르마니아를 포함한 모재를 만들어 내기 위해 수트를 소결시킨다. 최종적인 광 섬유 모재는 상기 모재로부터 잔류한 헬륨 기체를 없애기 위해 1000 ℃로 설정된 아르곤 정화 유지 오븐에 24 시간 동안 위치한다. 마지막으로, 광 섬유 모재는 5 km 길이의 125 마이크론 직경 광 섬유로 인발되고, 상술된 바와 같이, 굴절률이 낮은 폴리머로 코팅된다.
도 3b는 섬유(12)의 또 다른 대표적인 실시예를 개략적으로 도시한다. 도 3b의 섬유(12)는 상대 굴절률(Δ1)을 가진 코어(20), 코어(20) 상에 위치하고, 상기 코어를 둘러싼 나노-구조 영역(26')을 포함한다. 코어(20)는 "계단형" 굴절률 프로파일을 가질 수 있거나, 또는 그레이드형 코어 프로파일을 가질 수 있고, 이때 α-프로파일은 예를 들면, 1.8 내지 2.3의 α-값을 가진다.
이러한 대표적인 실시예에서(도 3b 참조), 나노-구조 영역(26')은 복수의 보이드들(32)을 가진 환형 링이다. 이러한 실시예에서, 영역(26')의 폭은 1-2 ㎛만큼 작을 수 있고, 음의 평균 상대 굴절률(Δ2)을 가질 수 있다. 클래딩(40)은 나노-구조 영역(26')을 둘러싼다. 클래딩(40)의 (반경) 폭은 1 ㎛만큼 작을 수 있고, 클래딩은 (순수 실리카에 대해) 음, 양 또는 0% 상대 굴절률을 가질 수 있다
도 3a 및 3b의 예시들 간의 주요 차이점은, 도 3a에 도시된 나노-구조 영역이 코어(20)에 위치하고, 도 3b에서는 코어/클래드 계면에 위치한다는 점이다. 저하된 굴절률 환형부(26')는 코어의 상대 굴절률이 우선 -0.05% 미만의 값에 이르는 곳에서 시작되어, 중심선으로부터 방사상 외부 방향으로 진행한다. 도 3b의 실시예에서, 클래딩(40)은 0.1% 미만의 최대 절대 크기를 가진 상대 굴절률 프로파일 Δ3(r)을 가지며, 그리고 이 실시예에서, Δ3MAX < 0.05%이고 Δ3MIN > -0.05% 이며, 그리고 저하된 굴절률 환형부(26)는 최외곽 보이드가 보이드-충전(filled) 영역에 일어나는 곳에서 종료된다.
도 3b에 도시된 실시예에서, 코어(20)의 굴절률은 환형 영역(26')의 굴절률(n2)보다 크고, 클래딩(40)의 굴절률(n1)은 또한 굴절률(n2) 보다 크다.
도 3c는 제조된 실제 섬유를 나타내는 섬유(12)의 예시 코어(20)의 개략적인 단면도이다. 도 2도 참조하여 보면, 도 3c의 코어(20)는 약 33.4 ㎛의 외부 반경(R1)을 가진 제 1 코어 영역(22)과, 외부 반경 R2 = 42.8 ㎛인 나노-구조 영역(26)과, 외부 반경 R3 = 62.5 ㎛인 제 3 코어 영역(28)과, 그리고 외부 반경(R4)(82.5 ㎛(미도시))을 가진 폴리머 클래딩(40)(도 2 참조)을 가진다. 이러한 실시예에서, 코어의 물질은 순수 실리카(비도핑된 실리카)이고, 클래딩용 물질은 굴절률이 낮은 폴리머(예를 들면, Dow-Corning of Midland, Michigan under product name Q3-6696으로부터 구입가능한, 1.413의 굴절률을 가진 UV 경화 가능한 실리콘)이고, 유리 코어와 함께 0.3의 섬유 NA를 초래한다. 광 섬유(12)는 도 4b에 도시된 바와 같이, 예를 들면, SMF-28eR 섬유 등의 표준 단일-모드 전송 섬유에 비해, 상대적으로 평탄한(약한) 파장 의존성을 가진다. 표준 단일 모드(예를 들면, SMF-28R) 또는 다중 모드 광 섬유들에서, 1300 nm 미만의 파장에서의 손실은 레일레이 산란으로 두드러진다. 이러한 레일레이 산란 손실은 물질의 속성에 의해 결정되고, 통상적으로 가시 파장(400-700 nm)에 대해 약 20 dB/km이다. 레일레이 산란 손실의 파장 의존성은
Figure 112014041715467-pct00003
인 λ-p에 비례한다. 적어도 하나의 나노 구조 영역을 포함하는 섬유에서 파장 의존성 산란 손실의 지수는 400 nm-1100 nm 파장 범위에서 적어도 80%(예를 들면, 90%보다 큼)에 대해 2 미만, 바람직하게 1 미만이다. 400 nm 내지 1100 nm의 평균 스펙트럼 감쇠는 섬유가 40 g 장력으로 인발될 시에 약 0.4 dB/m이고, 섬유(12)가 90 g 장력으로 인발될 시에 약 0.1 dB/m이다. 이러한 실시예에서, 나노 크기 구조체는 SO2 기체를 함유한다. 발견한 바와 같이, 나노 구조 링에서 충전된 SO2 보이드들은 크게 산란에 기여한다. 나아가, SO2 기체가 나노 구조를 형성하기 위해 사용될 시에, 발견된 바와 같이, 이러한 기체는 열적 가역(thermally reversible) 손실이 얻어지도록 하고, 즉 600 ℃ 아래에서는 나노 구조 섬유가 광을 산란시키지만, 600 ℃ 위에서는 동일 섬유가 광을 안내할 것이다. 동일 섬유를 600 ℃ 아래로 냉각시킬 시에, 섬유(12)가 광-확산 광 섬유를 작동시키고, 관측 가능한 산란 효과를 다시 발생시킨다는 점에서, SO2가 제공되는 이러한 고유 행동 역시 가역적이다.
바람직한 실시예들에서, 섬유 길이를 따른 조명의 균일성이 제어되고, 그 결과 최소 산란 조명 세기는 인발 공정 동안 섬유 장력을 제어함으로써; 또는 적당한 인발 장력을 선택함으로써(예를 들면, 30g 내지 100g, 또는 40g 내지 90g), 최대 산란 조명 세기의 0.7 보다 작지 않다.
이에 따라서, 일부 실시예들에 따라서, 방법은 섬유 길이를 따른 조명의 균일성을 제어하기 위한 섬유(12)를 만들고, 최소 산란 조명 세기는 0.7 보다 작지 않고, 최대 산란 조명 세기는 인발 공정 동안 섬유 장력을 제어하는 단계를 포함한다.
섬유(12)에서 나노 크기 구조체(32)의 존재(도 2 참조)는 광 산란으로 인한 손실을 생성하고, 섬유의 외부 표면을 통한 광 산란은 조명 목적을 위해 사용될 수 있다. 도 4a는 도 3c의 섬유(SO2 기체 충전 보이드들을 가진 섬유)에 대한 dB/m 단위인 감쇠(손실) 대 파장(nm)을 도시한 도면이다. 도 4a는 (i) 섬유들(12)이 가시 파장 범위에서 매우 큰 산란 손실을 달성할 수 있다(이로써, 높은 조명 세기를 제공할 수 있음)는 것을 도시한다. 섬유(12)의 산란 손실은 또한, 규칙적인 125 ㎛ 그레이드형 굴절률 코어 다중 모드의 비교용 섬유 A(섬유 A는 나노-구조 영역 없이 단계형 굴절률 다중 모드 섬유이고, 가시 파장 범위에서 약 0.02 dB/m 또는 500 nm의 파장 및 상대적으로 강한 파장 의존성의 1/λ4에서 약 20 dB/km의 레일레이 산란 손실을 가짐)에 비해, 약한 파장 의존성(Ls는 1/λ-p에 비례하고, 여기서 p는 2 미만이고, 바람직하게 1 미만이고, 보다 바람직하게 0.5 미만임)을 가질 수도 있다. 섬유들(12)에 대한 장력 효과는 또한 도 4a-4b에 도시된다. 특히, 도 4a-4b는 높은 섬유 인발 장력이 낮은 산란 손실을 초래하고, 낮은 섬유 인발 장력이 높은 산란 손실, 즉 강한 조명을 가진 섬유 부분을 초래하는 것을 도시한다.
도 4a는 90 및 400 g의 서로 다른 섬유 장력으로 인발되는 섬유(12)(코어에 보이드들을 가짐)에 대한 파장 함수로서 감쇠를 도시한다. 도 4b는 90 및 40 g의 서로 다른 섬유 장력으로 인발되는 서로 다른 광-확산 광 섬유(12)(코어에 보이드들을 가짐), 정규화된 손실을 가진 비교용 다중 모드 섬유(섬유 A), 및 1/λ 손실 의존성을 가진 이론적인 섬유에 대한 파장 함수로서 감쇠를 도시한다. 특히, 도 4b의 그래프는 손실의 파장 의존성을 도시한다. 이러한 예시에서, 섬유(12)와 섬유(A)에 대한 산란의 기울기를 비교하기 위해서, 저-손실 섬유의 손실(섬유 A)은 20의 팩터(factor)로 곱해지고, 그 결과 2 개의 표시가 동일 도면 상에 나타날 수 있다.
특정 이론에 얽혀 매이지 않고, 여겨지는 바와 같이, 인발 장력이 감소될 시에, 예를 들면, 90g에서 40g으로 감소될 시에 산란 손실의 증가는 나노 구조의 평균 직경의 증가로 인한 것이다. 그러므로, 섬유 장력의 이러한 효과는 인발 공정 동안 섬유 장력을 변화시킴으로써, 섬유의 길이를 따라 일정한 감쇠(조명 세기)를 만들어내기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 높은 장력(T1)으로 인발되는 제 1 섬유 세그먼트(α1 dB/m의 손실 및 길이(L1))는 입력 레벨 P0으로부터 P0 exp(-α1*L1/4.343)으로 광 파워를 감쇠시킬 것이다. 제 1 섬유 세그먼트에 광학적으로 연결되고 낮은 장력(T2)으로 인발되는 제 2 섬유 세그먼트(α2 dB/m의 손실 및 길이(L2))는 P0 exp(-α1*L1/4.343)으로부터 P0 exp(-α1*L1/4.343) exp(-α2*L2/4.343)으로 광 파워를 더 감쇠시킬 것이다. 제 1 및 제 2 섬유 세그먼트의 길이 및 감쇠는 연결된 섬유의 길이를 따라 균일한 세기를 제공하기 위해 조정될 수 있다.
섬유들(12)의 이점들 중 하나는 길이를 따라 균일한 조명을 제공하기 위한 성능이다. 도 5는, 섬유의 길이를 따라 실질적으로 균일한 조명을 초래하고, 광원(150)으로부터 안내된 광(152)의 2 개의 통로를 이용하는 섬유(12)의 배치를 도시한다. 이러한 배치에서, 미러(mirror)(M)는 섬유(12)의 말단(14)에 위치한다. 입력단(13)에서 광원(150)에 의해 광-확산 광 섬유(12)로 제공되는 입력 광(152)은 안내되는 광(152)으로서 섬유(12)에서 전파된다. 산란 광(152S)(이러한 산란 광의 일부는 단지 설명의 용이성을 위해 도 5에서 도시됨)으로서 섬유(12) 외부로 산란되지 않은 안내 광(152)의 일부는 미러(M)에 의해 반사되고 섬유단(13)을 향해서 섬유(12)의 축을 따라 뒤쪽으로 전파된다. 섬유(12)의 감쇠 및 길이가 적당하게 선택되는 경우, 광원으로 다시 제공되는 광 출력 파워는 본래 광 파워의 2%-5% 퍼센트 미만이다. 손실 분포가 일정한 섬유에 대한 산란 손실 세기(도 4a 참조)는 섬유의 도입단(beginning)에서 높고 섬유의 말단에 약하다. 그러나, 섬유(12)가 주기적으로 제어된 장력으로 인발되어(장력 값은, 1800 ℃로부터 2100 ℃로 변할 수 있는 용광로 온도에 관련됨), 산란 손실이 섬유의 도입부에서 낮고 세기가 높으며, 그리고 산란 손실이 섬유의 말단에서 높고 세기가 낮은 경우, 최종 산란 세기는 가변이 적을 수 있거나 일정할 수 있다(예를 들면, 도 6a에서 도시된 바와 같이, 예시 C). 섬유 인발 장력은 예를 들면, 40 g과 400 g 간에서 제어 및 변화될 수 있고, 이로써, 산란 유도 감쇠의 넓은 범위(예를 들면, 6 배까지)를 제공하게 된다. 도 5에서 미러(M)는 제 1 광원의 파워 밀도 출력과 유사한 제 2 광원의 파워 밀도 출력으로 대체될 수 있어서(2의 팩터 내에서, 즉, 50% 내지 200%의 범위에서), 보다 균일한 조명을 생성할 뿐만 아니라, 섬유에 의해 산란된 광의 양을 증가시킬 수도 있다.
본원에서 기술된 조명 시스템의 대표적인 실시예의 일 양태는, 산란 광 세기의 각도 분포(angular distribution)가 균일하거나, 각도 공간에서 거의 균일하다는 점이다. 섬유 표면으로부터 축 방향으로 산란된 광은 50% 미만, 바람직하게 30% 미만, 바람직하게 20% 미만, 보다 바람직하게 10% 미만인 평균 산란 세기에 대해 상대적인 변화를 가진다. 나노 크기 구조체 없이, 종래의 실리카 기반 광 섬유들에서 우세한 산란 메커니즘은 넓은 각도 분포를 가진 레일레이 산란이다. 나노 구조 링에서의 보이드들로 인해 추가적인 산란 손실이 있는 섬유들(12)은 도 6a(실시예의 a 및 b) 및 도 6b(실시예의 a')에 도시된 바와 같이, 강한 전방향 성분(strong forward component)을 가질 수 있다. 그러나, 이러한 분포는 광-확산 광 섬유(12)의 코팅의 상부 상에 산란 물질을 위치시킴으로써 정정될 수 있다. TiO2에 기반한 백색 잉크를 함유한 코팅으로 만들어진 섬유들(12)(도 6b에서 실시예 b' 참조)은, 전방향으로 현저하게 덜 편향된 산란 광의 각도 분포를 제공한다. TiO2 잉크의 추가적인 두꺼운 층(예를 들면, 1-5 ㎛)을 이용하여, 전방향 산란 성분을 추가로 감소시킬 수 있고, 이로 인해, 각도 세기 분포의 균일성은 증가하게 된다. 그러나, 도 7에 도시된 바와 같이, 조명기 설계가 재반사(back reflective) 미러(M) 또는 추가적인 광원(150)에 광학적으로 연결된 섬유(들)를 이용할 경우(예를 들면, 도 5 참조), 심지어 섬유가 TiO2에 기반한 백색 잉크 코팅 층을 가지지 않는 경우라도, 이러한 구성은 상대적으로 평평한 (즉, 매우 균일한) 각도 산란 세기를 제공한다(도 6a 참조). 일부 실시예들에서, 섬유 길이를 따른 잉크 코팅의 제어된 변화(코팅 두께 또는 상기 코팅에서 잉크 농도 변화)는, 큰 각도(15 도 초과)로 섬유로부터 산란된 광 세기의 변화가 보다 균일해지도록 하는 추가적인 방식을 제공할 수 있다.
일부 실시예들에서, 잉크는 산란 광을 광의 긴 파장으로 변환하는 형광 물질일 수 있다. 일부 실시예들에서, 백색 광은, 상기와 같은 코팅을 가진 광-확산 광 섬유(12)를 UV 광원, 예를 들면, 405 nm 또는 445 nm 다이오드 레이저에 연결시킴으로써, 섬유(12)에 의해 발광될 수 있다(외부 표면의 밖으로 확산될 수 있음). 대표적인 실시예들에서, 형광 백색 광의 각도 분포는 실질적으로 균일하다(예를 들면, 각도 공간에서 25% 내지 400%, 바람직하게 50% 내지 200%, 심지어 보다 바람직하게 50% 내지 150%, 또는 70% 내지 130%, 또는 80% 내지 120%).
광 시스템 구성
비용이 적게 들어간 광원들(150), 예를 들면, 발광 다이오드들(LED들) 또는 태양광으로의 효율적인 연결은 섬유(12)가 높은 NA 및 큰 코어 직경을 갖도록 한다. 도 2에 도시된 것과 유사한 설계를 이용하여, 다중 모드 코어(20)의 크기는 최대화될 수 있고, 500 ㎛까지의 반경을 가질 수 있다. 클래딩 두께는 예를 들면, 약 15-30 ㎛(예를 들면, 약 20 ㎛)로 매우 작을 수 있다. 예를 들면, 일 실시예에 따라서, 복수의 광-확산 광 섬유들(12)은 지지 구조체 주위에 권취될 수 있고, 각각의 광-확산 광 섬유는 광학적으로 광원 또는 복수의 광원에 연결될 수 있다. 복수의 섬유들(12)은: 리본, 리본 적층(ribbon stack), 또는 원형 번들(round bundle) 중 적어도 하나와 함께 묶일 수 있다. 섬유 번들 또는 리본(즉, 다수의 섬유의 집합체)은 연결 효율성(coupling efficiency)을 증가시키기 위해 광원 형상에 배치될 수도 있다. 통상적인 번들/리본 구조는 예를 들면, 2-36 개의 섬유들(12)을 포함할 수 있거나, 또는 수백 개의 섬유들(12)까지 포함할 수 있다. 다수의 섬유들의 어셈불리들인 케이블 설계는 잘 알려져 있으며, 리본, 다수의 리본 집합체, 또는 튜브에 모인 섬유들을 포함할 수 있다. 상기와 같은 섬유들은 하나 이상의 광-확산 광 섬유들(12)을 포함할 수 있다.
단일 섬유들
섬유(12)에 연결되고 연속적으로 밝은 광원(150)은 하술된 바와 같이, 기호 또는 디스플레이 조명 또는 실행 가능한 광화학 반응 등의 서로 다른 적용물을 위한 조명 시스템으로 이용될 수 있다.
조명 시스템이 125-300 ㎛의 코어 직경을 가진 단일 섬유(12)를 이용하는 경우, 다중 모드 레이저 다이오드는 광을 섬유(12)에 제공하는 광원으로 사용될 수 있다. 일 방향으로 광을 지향시키는 반사 코팅이 구비된, 대표적인 조명 기구(lighting fixture)(디스플레이 스크린을 위한 밝은 주변 조명기)는 도 8a를 구성한 사진에 도시된다. 일부 실시예들에 따라서, 섬유(들)(12)를 가진 단일 또는 다수의 섬유 조명은 수중 환경에서 사용될 수 있고, 예를 들면, 보트 부두, 낚싯줄 또는 미끼를 밝히기 위해서 사용될 수 있고, 그리고 이와 관련된 적용물(물에 안전하게 잠길 수 있도록 하는 유연한 섬유(12)의 작은 크기 및 성능을 매우 필요로 하는 곳)을 위해 사용될 수 있다. 섬유(12)는 또한, 광을 빼내기 위해 사용될 수 있고, 조명 경로, 실내 검출기용 발광 IR 복사를 위해 사용될 수 있거나, 또는 의류 실, 특히 착용품의 가시성을 추가적으로 향상시키기 위해 보호/반사 의류에 사용될 수 있다. 장식용 조명의 섬유(12) 사용의 예시들은 매니폴드(manifold)이지만, 그러나 일부 예시들은 가전기기용 조명 및 에지 효과, 차량/항공 조명 또는 가정 조명 및 가구 조명에 사용될 수 있다.
도 8b는 생물학적 성장 시스템에서 사용되는 바와 같이, 생물학적 성장 시스템(98) 및 예시 조명 시스템(100)의 예시 실시예를 도시하고, 생물학적 챔버(170)는 내부(172)를 가진 플라스크의 형태를 하고 있다. 광원(150) 및 광 연결 시스템(160)은 광원으로부터 나온 광(152)을 저-산란, 광-전도 광 섬유(12A)의 입력단(13A)에 연결시키기 위해 구성된다. 광-전도 광 섬유(12A)는 예를 들면, 스플라이싱 부재(164)를 사용하여, 섬유(12)의 입력단(13)에 광학적으로 연결된 출력단(14A)을 가진다. 조명 시스템(100)에서, 섬유(12)는 2 차 광원으로 기능하고, 또한 이하에서 광원 섬유로도 언급된다.
도 8b의 실시예에서, 광원 섬유(12)는 반대로 권취된(counter-wound) 단일 섬유로 형성된다. 주목하는 바와 같이, 광원 섬유(12)는 광원 섬유부를 형성하기 위해 지지 구조체 주위에서 권취되며, 이때 광원 섬유부에서는 안내 광이 섬유 외부 표면으로부터 산란되어, 실질적으로 균일한 복사를 방출하는 연장된 광원을 형성한다. 광원 섬유부에서의 굽힘은 섬유(12)의 산란 양을 향상시키기 위해 형성된다. 반대로 권취된 적어도 하나의 섬유는 광원 섬유부의 길이를 따라 방출된 복사를 감소시키는 효과를 보상함으로써, 복사의 균일성을 증가시킬 수 있다. 다수의 섬유들(12)은 지지 구조체 주위에서 차례차례 권취될 수 있고, 이때 광원에 연결된 섬유 각각은 길이 방향으로 연장된 소스를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 섬유(12)는 다양한 생물학적 챔버의 기하학적인 형상을 맞추기 위해 구성될 수 있고, 생물학적 물질(180)의 생물학적 물질 성장에 광을 제공할 수 있다. 생물학적 물질(180)은 예를 들면, 조류(예를 들면, 조류 군집(algae colonies), 조류화(algae blooms)) 또는 박테리아(예를 들면, 시아노박테리아(cyanobacteria))일 수 있다. 예시 실시예에서, 생물학적 물질(180)은 물 등의 지지 매체(184)에 부양될 수 있다.
코팅
예시 실시예에서, 섬유(12)는 도 2와 연관되어 상술된 바와 같이, 코팅(44)을 포함할 수 있다. 일 대표적인 실시예에서, 코팅(44)은 개선된 수분 접착을 제공하는 UV-경화 아크릴레이트 코팅 등의 친수성 코팅 층을 포함한다. 코팅 층은 유리에 근접하고 모듈러스가 낮은 1 차 코팅 층(통상적으로 < 3 MPa)을 포함한 UV 경화 가능한 코팅과, 그리고 모듈러스가 높은 2 차 코팅 층(통상적으로 > 50 MPa)을 포함한 UV 경화 가능한 코팅일 수 있다. 모듈러스가 높은 2 차 코팅 층은 1 차 (모듈러스가 낮음) 코팅 층에 인접하고 그리고 상기 코팅 층에 위치한다. 단일 층 코팅 또는 다수의 층 코팅에서의 층으로서 적용되는 다른 코팅 또는 추가적인 코팅 역시 사용될 수 있다. 상기와 같은 물질의 예시는, 빠져나가는 광에 추가적인 산란을 제공하는 물질을 함유한 코팅 또는 셀 성장 매체(cell growth medium)로서 기능하는 친수성 코팅(44A)(미도시)이다. 이러한 코팅은 섬유(12)용 보호 커버로서 기능할 수도 있다.
코팅(44)에 사용되는 대표적인 친수성 코팅(44A)은 표면에 대해 셀 부착 및 성장을 개선시키기 위해 일반적으로 사용되고, 카르복시산 작용기(carboxylic acid functionality) 및 아민 작용기(amine functionality)(예를 들면, 아크릴산 또는 아크릴아마이드(acrylamides)를 함유한 형태)를 함유한다. 게다가, 친수성 코팅(44A)은 생물학적 물질의 성장을 위해 필수적인 영양분을 위한 저장부로서 제공됨으로써, 강화될 수 있다.
일부 대표적인 실시예들에서, 코팅(44)은, 복사된 광을 변경하기 위해 제공되는 형광성 또는 자외선 흡수 분자를 포함한다. 적합한 상하 변환 분자는 또한 입력 광원의 파장과는 서로 다른 파장의 광을 만들어내기 위해 코팅에 포함될 수 있다. 잉크 코팅 층들은 또한 발광의 색상 또는 색조를 변경하기 위해 적용될 수 있다. 다른 코팅 실시예들은 섬유로부터 발광되는 광에 추가적인 산란을 제공할 수 있는 분자를 포함한다. 추가 실시예는 광 반응의 속도를 증가시키기 위해 사용될 수 있는 코팅 상에 광활성 촉매(photo-active catalysts)를 포함할 수 있다. 단지 상기와 같은 촉매의 일 예시는 광 촉매로서 루틸(rutile) TiO2이다.
일부 실시예들에 따라서, 섬유들(12)은 폴리머, 금속 또는 유리 커버(또는 코팅) 내에 둘러싸일 수 있고, 상기 코팅 또는 커버는 250 ㎛보다 큰 최소 외부 치수(예를 들면, 직경)를 가진다. 섬유(들)이 금속 코팅을 가진 경우, 금속 코팅은 광이 주어진 구역으로 바람직하게 지향되도록 하는 개방 부분들을 함유할 수 있다. 이러한 추가적인 코팅 또는 커버는 또한, 섬유 상에 코팅된 코팅에 대해 상술된 바와 같이, 동일한 방식으로, 발광된 광을 변화시키거나 반응을 촉진시키기 위해 추가적인 화합물을 함유할 수 있다.
상술된 바와 같이, 섬유(12)는 섬유의 외부 표면 상에 배치된 친수성 코팅을 포함할 수 있다. 또한, 형광성 종(fluorescent species)(예를 들면, 자외선-흡수 물질)은 광 섬유 코팅에 배치될 수 있고, 발광된 광의 추가적인 산란을 제공할 수 있는 분자에도 배치될 수 있다. 일부 실시예들에 따라서, 섬유(12)에 연결된 광원은 200 nm 내지 500 nm의 파장 범위에서 광을 발생시키고, 섬유 코팅에서 형광 물질(형광성 종)은 백색, 녹색, 적색 또는 NIR(근 적외선, near infrared) 광을 발생시킨다.
나아가, 추가적인 코팅 층은 섬유 외부 표면 상에서 제공될 수 있다. 이러한 층은 복사된 광을 변경시키고, 코팅 물질의 상호 작용을 변화시키기 위해 구성될 수 있다. 단지 상기와 같은 코팅의 예시는 폴리(2-아크릴아미도(acrylamido)-2-메탄술폰산(methanesulfonic acid)), 오르토-니트로벤질기(ortho-nitrobenzyl groups), 또는 아조벤젠 부분(azobenzene moities) 각각 등의 물질을 함유한 코팅일 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
대표적인 조명 시스템 구성
조명 시스템의 일부 대표적인 실시예들은 다음을 포함한다: (i) 200 nm 내지 2000 nm 범위 내에서 적어도 하나의 파장(λ)을 가진 광(152)을 발생시키는 광원(150); 및 (ii) 적어도 하나의 광-확산 광 섬유(12). 섬유(12)는 코어와, 클래딩과, 그리고 상기 코어 내에 또는 코어-클래딩 경계부에 위치된 복수의 나노 크기 구조체(32)를 포함한다. 이러한 광 섬유는 외부 표면과, 그리고 광원에 광학적으로 연결된 적어도 하나의 말단을 더 포함한다. 상술된 바와 같이, 광-확산 광 섬유(12)는, 코어로부터 보이드들 등의 나노 크기 구조체를 통하여, 그리고 외부 표면을 통하여 안내된 광(152G)을 산란시키도록 구성되어, 실질적으로 섬유 길이에 걸쳐 균일한 복사를 방출하는 길이를 가진 광원 섬유부를 형성한다. 광-확산 광 섬유(12)는, 200 nm 내지 2000 nm 범위(예를 들면 400-700nm, 또는 1 ㎛ 내지 2 ㎛) 내에서 하나 이상의 파장(들)에 대해 50 dB/km보다 큰 산란 유도 감쇠를 가진다. 섬유(12)는, 코어(20)로부터 나노 크기 구조체(32)를 통하여, 그리고 특정 구역(들) 내의 외부 표면을 통하여, 광을 바람직하게 산란시키도록, 상기 섬유에 형성된 복수의 굽힘부들을 가질 수 있다. 바람직하게, 산란 광의 조명 세기의 편차는 길이를 따라 최대 산란 조명 세기의 30% 미만이다.
일부 실시예들에 따라서, 산란 유도 감쇠는 100 dB/km 내지 6000 dB/km 또는 긔 보다 높다. 일부 실시예들에서, 섬유(12)의 산란으로 인한 감쇠는 200 nm 내지 2000nm 범위 내에 있는 하나 이상의 파장(들)에 대해 6000 dB/km 내지 20000 dB/km이다. 일부 실시예들에 따라서, 섬유(12)는 0.5 m 내지 100 m의 길이를 가지고, 산란 유도 감쇠는 200 nm 내지 2000nm 범위 내에 있는 하나 이상의 파장(들)에 대해 300 dB/km 내지 5000 dB/km이고, 그리고/또는 섬유의 3dB/길이보다 크다.
다른 실시예들에서, 섬유(12)는 0.1 m 내지 0.5 m의 길이를 가지고 산란 유도 감쇠는 200 nm 내지 2000nm 범위 내에 있는 하나 이상의 파장(들)에 대해 5000 dB/km 내지 20,000 dB/km이다. 바람직하게, 나노 크기 구조체(32)는 10 nm 보다 큰, 바람직하게 50 nm 보다 큰, 보다 바람직하게 100 nm 보다 큰 직경을 가진 기체 충전 보이드들(예를 들면, SO2 충전된 보이드들)이다. 바람직하게, 섬유 클래딩은 유리 또는 폴리머이며, 그리고 적어도 20 ㎛m의 두께를 가진다. 상기 코너와 결합된 클래딩은 0.2 이상의 NA를 제공한다. 상술된 바와 같이, 섬유 길이를 따른 조명의 균일성(최대 세기로부터 약 30%, 바람직하게 최대 세기로부터 약 20% 내, 보다 바람직하게 최대 세기로부터 약 10% 내)은 인발 공정 중에 섬유 장력을 제어함으로써 달성될 수 있다. 상술된 바와 같이, 조명의 균일성은 광원에 연결된 섬유의 말단에 마주하는 섬유의 말단에 연결된 반사물을 이용함으로써, 더 감소될 수 있다.
이로써, 일부 실시예들에 따라서, 광-확산 광 섬유(12)는, 광의 산란을 위한 나노 구조체로 적어도 부분적으로 충전된 코어와, 상기 코어를 둘러싼 클래딩과, 상기 클래딩을 둘러싼 적어도 하나의 코팅을 포함한다. 예를 들면, 코어 및 클래딩은 1 차 및 2 차 코팅 층에 의해, 그리고/또는 잉크 층에 의해 둘러싸일 수 있다. 일부 실시예들에서, 잉크 층은 추가적인 흡수를 제공하고, 섬유에 의해 산란된 광의 스펙트럼을 변경하기 위해 색소를 함유한다(예를 들면, 확산된 광에 추가적인 색상(들)을 제공하기 위함). 다른 실시예들에서, 코팅 층들 중 하나 이상은 섬유 코어를 통하여 전파되는 광의 파장을 변환시키는 분자를 포함하고, 그 결과 섬유 코팅으로부터 방출되는 광(섬유에 의해 확산된 광)은 서로 다른 파장으로 존재한다. 일부 실시예들에서, 잉크 층 및/또는 코팅 층은, 코어로부터 산란 광을 서로 다른 파장(들)의 광으로 변환시키기 위한 인광체(phosphor)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 인광체 및/또는 색소는 1 차 코팅에서 분산된다. 일부 실시예들에서, 색소들은 2 차 코팅에서 분산되고, 일부 실시예들에서, 색소는 1 차 및 2 차 코팅에서 분산된다. 일부 실시예들에서, 인광체 및/또는 색소는 폴리머 클래딩에서 분산된다. 바람직하게, 나노 구조체는 SO2로 충전된 보이드들이다.
일부 실시예들에 따라서, 섬유(12)는 1 차 코팅과, 상기 1 차 코팅을 둘러싼 선택적인 2 차 코팅과, 그리고/또는 잉크 층(예를 들면, 클래딩 상에 직접 위치하거나, 코팅 중 하나 상에 위치함)을 포함하다. 1 차 및/또는 2 차 코팅은 다음 중 적어도 하나를 포함할 수 있다: 색소, 인광체, 형광 물질, UV 흡수 물질, 친수성 물질, 광 변경 물질, 또는 이들의 조합.
복수의 광-확산 광 섬유들(12)은 다음 중 적어도 하나와 함께 묶일 수 있다: 리본, 리본, 리본 적층, 또는 원형 번들. 섬유 번들 또는 리본(즉, 다수의 섬유들의 집합체)은 연결 효율성을 증가시키기 위해 광원 형상에 배치될 수도 있다. 통상적인 번들/리본 구조는 예를 들면, 2-36 개의 광-확산 광 섬유들(12)을 포함할 수 있거나, 또는 섬유들을 과하게 적층시켜 수백 개의 섬유들(12)까지 포함할 수 있다.
상술된 바와 같이, 광 섬유는 광 섬유의 외부 표면 상에 배치된 친수성 코팅을 포함할 수 있다. 대안으로, 친수성 코팅은 섬유 리본의 외부 표면 상에 배치될 수 있다. 리본은, 광-확산 광 섬유들(12)과 광원 간의 보다 양호한 연결을 제공하기 위해 광원의 형상에 배치될 수도 있다. 리본 구조로부터 얻어진 이점은, 개별적인 섬유들의 권취가 반드시 필요하지 않다 라는 점이며, 그 이유는 리본이 굽힘 구조, 예를 들면, 파형, 소용돌이형, 또는 나선형을 형성하여 광이 원하는 구역으로 산락되도록 하기 때문이다. 나아가, 다수의 섬유 리본의 사용은 리본의 큰 적층을 가질 수 있는 가능성이 있다. 상기와 같은 리본 적층은 광의 보다 집중된 양을 제공하고, 또한 서로 다른 광원, 예를 들면, 적색 레이저, 태양광, 발광 다이오드들, 또는 안내 점 광원의 사용 가능성을 열어 놓는다. 예를 들면, 일 실시예에 따라서, 복수의 광-확산 광 섬유들(12)은 단일 광원 또는 복수의 광원에 광학적으로 연결될 수 있으면서, 광-확산 광 섬유들(12)은 다음 중 적어도 하나와 함께 묶일 수 있다: 리본, 리본, 리본 적층, 또는 원형 번들. 나아가, 광-확산 광 섬유들(12)의 번들 또는 리본은 최소의 손실로 광을 광-확산 광 섬유를 향해 지향시킬 수 있는 전송 섬유에 의해 광원(들)에 연결될 수 있다. 이러한 광-확산 광 섬유의 구성은 원격 조명 적용을 위해 매우 유용하다고 여겨질 수 있고, 이때 광은, 광이 전달되는 구역으로부터 떨어진 소스로부터 모이게 된다.
일부 실시예들에 따라서, 광-확산 광 섬유는: 1) 코어와, 클래딩과, 그리고 상기 코어 내에 또는 코어-클래딩 경계부에 위치된 복수의 나노 크기 구조체를 포함하고, 이때 상기 광 섬유는 (i) 외부 표면을 더 포함하고, 코어로부터 나노 크기 구조체를 통하여, 그리고 외부 표면을 통하여 안내된 광을 산란시키고, (ii) 조명 파장에서 50 dB/km 보다 큰 산란 유도 감쇠를 가지도록 구성되고, 상기 광-확산 광 섬유는: 2) 클래딩 또는 적어도 하나의 코팅이 인광체 또는 색소를 포함하도록 하나 이상의 코팅을 포함한다. 일부 실시예들에 따라서, 이러한 색소는 광의 파장을 변경할 수 있고, 그 결과 섬유의 외부 표면에 의해 제공된 조명(확산된 광)은 섬유 코어를 통하여 전파되는 광의 파장과는 다른 파장을 가진다. 바람직하게, 나노 구조체는 SO2로 충전된 보이드이다.
일부 실시예들에 따라서, 광-확산 광 섬유는: 코어와, 클래딩과, 그리고 상기 코어 내에 또는 코어-클래딩 경계부에 위치된 복수의 나노 크기 구조체를 포함한다. 광 섬유는 외부 표면을 더 포함하고, (i) 코어로부터 멀어지게 상기 나노 크기 구조체를 통하여, 그리고 외부 표면을 통하여 안내된 광을 산란시키고, (ii) 조명 파장에서 50 dB/km보다 큰 산란 유도 감쇠를 가지도록 구성되고; 전체 코어는 나노 크기 구조체를 포함한다. 상기와 같은 섬유는 선택적으로 적어도 하나의 코팅을 포함할 수 있고, 그 결과 클래딩 또는 적어도 하나의 코팅은 인광체 또는 색소를 포함한다. 일부 실시예들에 따라서, 나노 구조체는 SO2로 충전된 보이드이다.
일부 실시예들에 따라서, 광-확산 광 섬유(12)는: 코어(예를 들면, 유리 코어), 및 전체 코어가 나노 구조체를 포함하도록 상기 코어 내에 위치한 복수의 나노 크기 구조체를 포함하고, 광 섬유는 외부 표면을 더 포함하고, (i) 코어로부터 멀어지게 상기 나노 크기 구조체를 통하여, 그리고 외부 표면을 통하여 안내된 광을 산란시키고, (ii) 조명 파장에서 50 dB/km보다 큰 산란 유도 감쇠를 가지도록 구성되고, 상기 섬유는 클래딩을 포함하지 않는다. 일부 실시예들에 따라서, 나노 구조체는 SO2로 충전된 보이드이다. 나노 구조체 구역에서 SO2로 충전된 보이드는 산란에 크게 기여한다(산란 개선).
일부 실시예들에 따라서, 광-확산 광 섬유는: 코어(예를 들면, 유리 코어), 및 전체 코어가 나노 구조체를 포함하도록 상기 코어 내에 위치한 복수의 나노 크기 구조체를 포함하고, 상기 광 섬유는 외부 표면을 더 포함하고, (i) 코어로부터 멀어지게 상기 나노 크기 구조체를 통하여, 그리고 외부 표면을 통하여 안내된 광을 산란시키고, (ii) 조명 파장에서 50 dB/km보다 큰 산란 유도 감쇠를 가지도록 구성되고, 상기 섬유는 클래딩을 포함하지 않는다. 일부 실시예들에 따라서, 섬유는 클래딩 또는 코팅이 인광체 또는 색소를 포함하도록 적어도 하나의 코팅을 포함한다. 일부 실시예들에 따라서, 나노 구조체는 SO2로 충전된 보이드이다. 상술된 바와 같이, 나노 구조체 구역에서 SO2로 충전된 보이드는 산란에 크게 기여한다(산란 개선).
추가적인 대표적인 조명 시스템 구성
도 9a는 도 8b의 조명 시스템과 유사한 예시 조명 시스템(200)의 측면도이다. 저-산란 광-전도 광 섬유(12A)는, 예시에서 광 섬유 커넥터일 수 있는 광 연결 시스템(160)을 통해 말단(13A)에서, 광원(150)에 광학적으로 연결된다. 저-산란 광-전도 광 섬유(12A)는 도시된 바와 같이, 예를 들면, 스플라이싱 부재(splicing member)(164)를 사용하여 광-확산 광 섬유(12)의 입력단(13)에 광학적으로 연결된 말단(14A)을 가진다. 광-확산 광 섬유(12)는 입력단(13)에 마주하는 말단(14)도 가진다. 광원(150)은, 광 섬유들(12A 및 12)에서 안내 광(152G)으로서 이동하는 광(152)을 방출한다. 광-확산 광 섬유(12)에서 이동하는 안내 광은 산란 광(152S)으로서 섬유 외부로 산란된다. 광-확산 광 섬유(12)는 도 8b에 도시된 권취형 코일로 구성될 수 있거나, 또는 임의의 적합한 형상으로 구성될 수 있다. 예시에서, 미러(M)는 도 5에 도시된 바와 같이, 광-확산 광 섬유(12)의 말단(14)에 광학적으로 연결된다. 예시에서, 조명 시스템(200)은, 산란 광(152S) 또는 안내 광(152G)이 예를 들면, 미러(M) 반사에 의해 광원(150)으로 되돌아가지 못하도록 하는 저-산란 광-전도 광 섬유(12A)에 배치된 광 아이솔레이터(168)를 포함한다.
도 9b는 도 9a와 유사하고, 다수의 저-산란 광-전도 광 섬유들(12A)과, 상기 섬유 각각에 광학적으로 연결된 다수의 광-확산 광 섬유들(12)을 사용한 조명 시스템(200)의 예시를 도시한다.
도 10a는 도 9a와 유사하지만, 광-확산 광 섬유(12)가 예를 들면 루프를 형성하기위해 만곡되는 또 다른 예시 조명 시스템(200)이다. 도 10b는 도 10a와 유사하고, 저-산란 광-전도 광 섬유(12A)에서 선택적인 광 아이솔레이터(168)와 함께, 광-확산 광 섬유(12)의 말단(14)에 광학적으로 연결된 미러(M)를 더 포함한다.
도 10c는 도 10a 및 도 10b와 유사하고, 광-확산 광 섬유(12)의 말단들(13 및 14)이 광 커플러(170)의 각각의 포트들(미도시)에 광학적으로 연결되는 조명 시스템(200)의 실시예를 도시한다. 또한, 저-산란 광-전도 광 섬유(12A)의 말단(14A)은 광 커플러(170)의 포트(미도시)에 연결된다. 이러한 구성으로, 저-산란 광-전도 광 섬유(12A)에 이동하는 안내 광(152G)은 광 커플러(170)로 들어가고, 광-확산 광 섬유(12)에서 서로 마주하는 양 방향으로 이동하도록 분할된다.
도 11은 도 10c의 조명 시스템과 유사한 조명 시스템(200)의 예시 실시예를 도시하고, 2 개의 광원들(150) 및 저-산란 광-전도 광 섬유(12A)의 각각의 부분들은, 광-확산 광 섬유(12)에서 산란 광(152S)을 발생시키는, 반대로 전파되는 안내 광(102G)을 제공하도록 구성된다.
도 12a는 도 9a의 조명 시스템과 유사하지만, 광원(150)이 다수의 광원 소자들(151)을 포함하는 조명 시스템(200)의 예시 실시예의 측면도이다. 상기와 같은 3 개의 광원 소자들(151-1, 151-2 및 151-3)은 설명을 위해 도시되고, 광원 소자들 각각은 파장 λ1, λ2 및 λ3의 광(152)을 각각 발광시킨다. λ1, λ2 및 λ3에 대한 예시 파장은 적색, 청색 및 녹색 각각일 수 있다.
각각의 광원 소자(151)는 각각의 저-산란 광-전도 광 섬유(12A)에 광학적으로 연결되고, 상기 저-산란 광-전도 광 섬유(12A) 각각에는 각각의 광-확산 광 섬유(12)에 광학적으로 연결된다. 이로써, 도 12a의 조명 시스템(200)은 다수의 파장에서 산란 광(152)(예를 들면, 산란 광 152S1, 152S2 및 152S3)의 형태를 한 조명을 제공할 수 있다.
도 12b는 도 12a와 유사하고, 해당 광-확산 광 섬유들이 선택 위치로부터, 예를 들면, 공간으로 이격된 위치로부터 산란 광(152S)을 제공할 수 있도록, 저-산란 광-전도 광 섬유들(12A)이 굽어지는 예시 실시예를 도시한다. 예시에서, 조명 시스템(200)은 광-확산 광 섬유 부분(12)에 대해 배치된 반사 부재들(172)을 포함하고, 그 결과 산란 광(152S)은 원하는 방향으로 해당 반사 부재들에 의해 반사된다. 반사 부재들(172)은 특정 반사 유형을 제공하기 위해 필요에 따라, 예를 들면, 평평하거나 만곡된 적당한 형상을 가질 수 있다. 반사 부재들(172)은 또한 정반사(specularly reflective) 또는 확산 반사(diffusely reflective)를 할 수 있다.
도 13a는 광원(150)과, 광 연결 시스템(160)과, 그리고 상기 광 연결 시스템(160)에 광학적으로 연결된 저-산란 광-전도 광 섬유(12A)와, 그리고 상기 저-산란 광-전도 광 섬유에 광학적으로 연결된 광-확산 광 섬유(12)를 포함하는 예시 조명 시스템(200)의 단면도이다. 광-확산 광 섬유(12)는 도 8b에 도시된 바와 유사한 권취형 구성을 가진 부분을 적어도 가지는 광원 섬유부(12')를 포함한다. 조명 광 시스템(200)은 또한, 반사식 오목 표면(222)과, 초점(FP)에 의해 식별된 초점 길이(F)와, 그리고 초점이 있는 광 축(A1)을 가진 오목 미러(220)를 포함한다. 광원 섬유부(12')는 초점(FP)에(즉, 초점에 또는 그 근방에) 실질적으로 위치한다. 이는, 권취형 광원 섬유부(12')로부터 산란 광(152S)의 일부가 오목 미러 표면(222)에 의해 모이게 되고 실질적으로 시준된 광으로서 반사되도록 한다. 예시에서, 미러(M)는 말단에 미러(M)가 없는 것과 비교해서, 오목 미러 표면(220)에 이르는 산란 광(152S)의 양을 증가시키기 위해 광-확산 광 섬유(12)의 말단(14)에 배치된다.
도 13b는, 광-확산 광 섬유들(12)의 번들(12B)이 일반적으로 오목 미러의 초점 라인(FPL)을 따라 진행하는 원통형 오목 미러(220)를 포함한 또 다른 예시 조명 시스템(200)의 단면도이다. 이러한 구성은 원통형 미러(220)의 곡률 평면(즉, 광 파워)과 연관된 방향으로 실질적으로 시준된 산란 광(152S)의 빔을 형성한다.
이해하여야 하는 바와 같이, 상술된 설명은 단지 본원을 나타낼 뿐이고, 청구항에 의해 정의된 바와 같이, 본원의 특성 및 특징의 이해를 위한 개요 또는 틀을 제공하기 위함이다. 첨부된 도면은 본원의 추가적인 이해를 제공하기 위함이고, 본원 명세서의 부분에 통합되고 상기 부분을 구성한다. 상기 도면은 본원에서 기술된 다양한 수단 및 실시예들을 제시하되, 청구항 내용의 원리 및 동작을 설명하기 위한 설명과 함께 제시한다. 기술 분야의 통상의 기술자에게 명백한 바와 같이, 본원에서 기술된 본원의 바람직한 실시예의 다양한 변화는 첨부된 청구항에 의해 정의된 바와 같이, 본원의 권리 범위 또는 권리 사상으로부터 벗어남 없이 이루어질 수 있다.

Claims (20)

  1. 200 nm 내지 2000 nm의 적어도 하나의 파장을 갖는 광을 발생시키는 적어도 하나의 광원;
    상기 적어도 하나의 광원에 광학적으로 연결된 입력단과, 출력단을 가지며, 그리고 상기 적어도 하나의 광원에 의해 수신된 광을 안내 광으로서 상기 출력단에 제공하도록 구성된 적어도 하나의 저-산란 광-전도 광 섬유;
    유리 코어와, 상기 코어를 둘러싼 클래딩과, 그리고 상기 코어 내에서 또는 코어-클래딩 경계부에서 위치된 복수의 나노 크기 구조체를 가지며, 그리고 외부 표면과, 그리고 상기 적어도 하나의 저-산란 광-전도 광 섬유의 출력단에 광학적으로 연결된 입력단을 더 포함하는 적어도 하나의 광-확산 광 섬유; 및
    산란 광 또는 안내 광이 상기 적어도 하나의 광원으로 되돌아가지 못하도록 하는, 상기 적어도 하나의 저-산란 광-전도 광 섬유에 배치된 광 아이솔레이터;를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 광-확산 광 섬유는 상기 저-산란 광-전도 광 섬유로부터 상기 안내 광을 수신하고, 상기 유리 코어로부터 상기 나노 크기 구조체를 통해, 그리고 상기 외부 표면을 통하여 상기 안내 광을 산란시킴으로써, 상기 산란 광이 연속적으로 발광되는 길이를 가진 광원 섬유부를 형성하도록 구성되는 조명 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광-확산 광 섬유는:
    (i) 상기 유리 코어로부터 상기 나노 크기 구조체를 통해, 그리고 외부 표면을 통하여 상기 안내 광을 산란시키기 위해 형성된 복수의 굽힘부; 및/또는
    (ii) 상기 산란 광이 실질적으로 균일한 세기를 가지도록, 형광성 및 산란성 종(fluorescent and a scattering species) 중 적어도 하나;를 가지는 조명 시스템.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 조명 시스템은 출력단을 가진 적어도 하나의 광-확산 광 섬유를 더 포함하며, 그리고 상기 안내 광을 반사시켜, 상기 적어도 하나의 광원을 향해 다시 상기 적어도 하나의 광-확산 광 섬유 아래로 이동시키도록 상기 출력단에 광학적으로 연결된 적어도 하나의 미러를 더 포함하는 조명 시스템.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 조명 시스템은 초점 스팟 또는 초점 라인을 가진 원통형 미러를 더 포함하며,
    상기 광원 섬유부는 상기 초점 스팟에 또는 상기 초점 라인을 따라 배치되는 조명 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 광원 섬유부는 권취형 부분을 포함하며, 상기 권취형 부분은 실질적으로 상기 초점 스팟에 또는 상기 초점 라인을 따라 배치되는 조명 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 조명 시스템은 루프 부분을 포함한 광원 섬유부를 더 포함하는 조명 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광원은 제 1 및 제 2 광을 발생시키는 제 1 및 제 2 광원을 포함하고;
    상기 적어도 하나의 저-산란 광-전도 광 섬유는 상기 제 1 및 제 2 광원 각각에 연결되는 제 1 및 제 2 저-산란 광-전도 광 섬유들을 포함하며; 그리고
    상기 적어도 하나의 광-확산 광 섬유는 상기 제 1 및 제 2 저-산란 광-전도 광 섬유에 광학적으로 연결되고, 그 결과 상기 제 1 및 제 2 광은 제 1 및 제 2 안내 광으로서 상기 적어도 하나의 광-확산 광 섬유를 통하여 서로 마주하는 양 방향으로 이동하는 조명 시스템.
  8. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광-확산 광 섬유는 다중 모드이고, 다음 중 적어도 하나를 포함하는 조명 시스템.
    (i) 50 ㎛보다 크고 500 ㎛보다 작은 직경을 가진 유리 코어; 및
    (ii) 0.2보다 큰 개구수(NA)
  9. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광-확산 광 섬유는: 리본, 리본 적층(ribbon stack), 및 원형 번들(round bundle) 중 적어도 하나와 함께 묶일 수 있는 복수의 광-확산 광 섬유를 포함하는 조명 시스템.
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