(57)【要約】  本発明は微細構造光ファイバーの設計および製造に関する。本発明は、たとえば内視鏡、イア・インプラントおよびチップ対チップ相互連結部材のような撮像目的とする微細構造光ファイバーの製造における特定アプリケーションを有している。本発明の第１の態様は、プリフォームから微細構造光ファイバーを生成する方法を提供し、前記方法が前記プリフォーム内の所定ロケーションで比較的大きい屈折率のゾーンを形成する工程において、前記ゾーンが比較的小さい屈折率の材料によって実質的に取り巻かれて光ガイド・コアのアレイを形成する工程と、続いて前記プリフォームを引き上げ一本の前記微細構造光ファイバーを形成する工程とを含む。本発明の第２の態様は、プリフォームから微細構造光ファイバーを生成する方法を提供し、前記方法が前記プリフォーム内の所定ロケーションで比較的小さい屈折率のチャネルを形成する工程において、前記チャネルが光ガイド・コアを画定するように作用する工程と、続いて前記プリフォームを引き上げ一本の前記微細構造光ファイバーを形成する工程とを含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プリフォームから微細構造光ファイバーを生成する方法であって、
前記プリフォーム内の所定ロケーションで比較的大きい屈折率のゾーンを形成する工程において、前記ゾーンが比較的小さい屈折率の材料によって実質的に取り巻かれて光ガイド・コアのアレイを形成し、続いて前記プリフォームを引き上げ一本の前記微細構造光ファイバーを形成する工程と
を含む方法。
【請求項２】
前記光ガイド・コアが空気によって実質的に取り巻かれている請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記光ガイド・コアが概して非円形断面形状を有している請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記プリフォームが光学的に適したポリマー材料から形成される請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
複数のホールが前記所定ロケーションで前記プリフォームに穿設されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記プリフォームが引き上げられて、二段引き上げ工程で前記微細構造光ファイバーが形成される請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
プリフォームから微細構造光ファイバーを生成する方法であって、
前記プリフォーム内の所定ロケーションで比較的小さい屈折率のチャネルを形成する工程において、前記チャネルが光ガイド・コアを画定するように作用し、
続いて前記プリフォームを引き上げ一本の前記微細構造光ファイバーを形成する工程と
を含む方法。
【請求項８】
複数のホールが前記所定ロケーションで前記プリフォームに穿設されて前記チャネルが形成されている請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記プリフォームが引き上げられて、二段引き上げ工程で前記微細構造光ファイバーが形成される請求項７または８記載の方法。
【請求項１０】
前記プリフォームがモノリシックである請求項７〜９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
複数の空気チャネルを含み、前記空気チャネルがこの空気チャネル間に光ガイド・コアを画定するように作用する微細構造光ファイバー。
【請求項１２】
光ガイド・コアとして作用する空気チャネルを含む、アプリケーションを撮像するための微細構造光ファイバー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は微細構造光ファイバーの設計および製造に関する。本発明は、たとえば内視鏡、イア・インプラントおよびチップ対チップ相互連結部材のような撮像目的とする微細構造光ファイバーの製造における特定アプリケーションを有している。
【背景技術】
【０００２】
既存のマルチコア・ファイバーにおいて、光は比較的大きい屈折率を有するコア内で全内部反射によって案内される。結果的に、撮像ファイバーは常に透明材料で作られてきている。製造方法は、毛管とロッドを積層して結束ファイバー上に、複合ドーピング技術または共押出し成形でプリフォームを成形する工程を含んでいる。しかし、この方法に遭遇する困難な点の一つは、ファイバー束の結束性を維持することおよび各々のコア（画素）の位置および寸法に渡って適切な制御を達成し、さらに高いフラクションの捕捉を得ることである。
【発明の開示】
【０００３】
したがって、本発明の目的は先行技術の欠点の少なくとも一つを克服または改善し、あるいは有用な別の方法を提供することである。
【０００４】
この目的のために、本発明の第１の態様は、比較的大きい屈折率を有する材料のゾーンが比較的小さい屈折率を有する材料内の所定位置に配置されたプリフォームから微細構造光ファイバーを製造する方法を提供する。小さい屈折率の材料本体内に大きい屈折率材料の「アイランド」を生成することによって、ガイド・コアのパターンを生成する。続いてプリフォームは引き上げられて一本の微細構造光ファイバーが生成される。
【０００５】
好ましくは、各コアは実質的に空気によって取り巻かれており、またファイバー材料の細い撚りによって他のコアに接続される。この構成はコアを独立して案内する（撚りを充分細く、長くする場合）とともに、これによって撮像能力を提供する。コアは単一モードまたは多モードのいずれにしてもよい。コアの断面形状は概して非円形である。
【０００６】
本発明の第２の態様は、中空チャネルまたは比較的小さい屈折率材料のチャネルがプリフォーム内の所定位置に位置付けられる微細構造光ファイバーを製造する方法を提供することである。プリフォームは続いて引き上げられて一本の微細構造光ファイバーが生成され、小さい屈折率チャネルが「アンチガイディング」効果に基づいて独立して光を案内することができる。この効果については、N A. Issa, A Argyros, M A. van Eijkekenborg, J Zagariによる「空気コア微細構造光ファイバー内における中空導波器案内を識別する方法」（Optics Express Vol. 11, No.9, pp. 996-1001 (2003)）に記載されている。
【０００７】
有利には、本発明の第２の態様に基づく方法は、比較的簡単な相互結合部と高い捕捉フラクションを有する撮像ファイバーの製造を可能にする。
【０００８】
好ましくは、ファイバーはモノリシックプリフォームから引き上げられる。これが仕上がりファイバーに対する優れた制御および安定性を提供する。
【０００９】
有利に、撮像の第１および第２の方法の組み合わせも、最大可能捕捉フラクションを提供する（撮像のために小さい屈折率チャネルと大きい屈折率コアの両方を使用するため）一定の状況で可能である。
【００１０】
本発明の第３の態様は、空気チャネルを含み、該空気チャネルが空気チャネル間で光ガイド・コアを画定する作用をする微細構造光ファイバーを提供する。
【００１１】
本発明の第４の態様は、光ガイド・コアとして作用する空気チャネルを含む、撮像用の微細構造光ファイバーを提供する。
【００１２】
本発明の本実施例において、ファイバーは非透明材料を含み得る。
【００１３】
有利には、本発明はコアの位置付けと寸法決めに対してより大きな制御を可能する撮像用微細構造光ファイバーを製造する比較的簡単な方法を提供する。あらゆる画素構成が、対称（六角形、長方形等）の点、およびコア寸法（一つのファイバー内で複数のコア寸法が可能）の点で概して可能であり、撮像ファイバーの特徴に合わせることが比較的容易になる。さらに、コア（比較的大きい屈折率であってもあるいは小さい屈折率であっても）すべて同じ寸法にする必要はない。コアまたはコアのグループは独立して寸法を決めて特定アプリケーションのために必要とされる特定寸法にすることができる。
【００１４】
さらに好ましい実施例において、ファイバーは（積層プリフォームよりもむしろ）モノリシック多孔性プリフォームから引き上げられ、これによってさらなる制御と安定性が提供される。さらに、ガイド・コアを生成するためにドーピングを必要としない。
【００１５】
本発明の好ましい実施例について、添付図面を参照して非限定的実施例として次に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の種々の態様を、次の例によって、また添付図面を参照してさらに説明する。次の例に関連するファイバーは、ポリマー材料で製造されているが、撮像性能の基となる原理はポリマー性ファイバーに特定されず、他の適切な材料も使用し得ることに注意しなければならない。
【００１７】
一連の他の製造方法が、微細構造ポリマー光ファイバー（「ｍＰＯＦ」）プリフォームを作るために使用できる。ガラスＰＣＦのために伝統的に使用されている毛管積層技術に付加して、ポリマープリフォームが押し出し、モールド内でのポリマー化、ドリル成形または射出成形などの技術を使用して作ることができる。これらの方法は、ホール・パターン、寸法およびスペーシングを独立して変更でき、また隙間ホールが格子内に生成されないため、結束または積層に対して利点を提供する。さらに、非円形ホールの生成が比較的簡単にできる。
【００１８】
次の例に提示されたｍＰＯＦ製造に対して、直径８０ｍｍの市販の押し出し成形ポリメチルメタアクリレート（ＰＭＭＡ）のロッドが使用され、該ロッドはガラス遷移温度Ｔｇ＝１１５℃を有している。ホール構造は、直径８０ｍｍおよび長さ６５ｍｍの焼きなましＰＭＭＡシリンダーにコンピュータ制御機器を使用して、ｍＰＯＦプリフォームの製造に最適化されたプログラム可能なＣＮＣミルに基づいてドリルされた。この操作がホールの相対的位置付けおよび寸法に対して完全な制御を提供する。必要に応じて、ホールは０．１ｍｍ程の薄いホール間壁厚を残して互いに非常に接近させて配置させることができる。
【００１９】
ｍＰＯＦプリフォームは２段階処理で引き上げられた。第１段階において、直径８０ｍｍの構造化プリフォームが加熱され、２メートルの長さにまで伸ばすことで外径を８０ｍｍから約１２ｍｍに減少した。
【００２０】
第２段階において、直径１２ｍｍのプリフォームが別のコンピュータ制御されたポリマー・ファイバー引き上げタワー上で引き上げられてファイバーとなった。ファイバーは、約１００グラムの一定張力と１６０℃までの「ホット・ゾーン」引き上げ温度で４ｍ／分の速度で引き上げられた。図１に示したような仕上がりｍＰＯＦ構造が、１００ｍの長さに渡って維持される。ファイバーは２００ミクロンの外径に概して引かれ、ファイバーの直径の均一性はキャプスタイン速度とファイバー直径モニターとのあいだ充分調整されたフィードバック制御ループを利用することによって±１ミクロンに達成される。プリフォームスリーブ技術が開発され大きい外径を有するファイバーを提供する一方で、必要な場合にファイバーの内部構造に同じ寸法を維持する。
【００２１】
図１を参照して、仕上がり微細構造ポリマー光ファイバーの顕微鏡映像を示す。ファイバーの直径は８００ミクロンであり、断面は均一に離間されたエア・ホール（４２ミクロンの間隔に全部で１１２個のホール）を含み、エア・ホール（ソリッド・コア）間をガイドすることによって、またはエア・ホールをアンチガイドすることによって、あるいは両方によって撮像機能を提供している。同様の第２のファイバーが同じプリフォームから、２５０ミクロン直径と１５ミクロンのホール間隔で製造された。
【００２２】
ソリッド・コアの撮像能力を証明するために、Ｃ字状の切り欠きを有する金属スクリーンが白色光源前方に配置される。図２は実験を示し、文字Ｃの切り欠き形状の切り欠きを有する金属スクリーンが白色光源前方に配置された。このスクリーンは、小さいレンズ（ｆ＝５ｍｍ以下）によってファイバーの一端上に撮像された。ファイバーはこの画像をその４２ｍｍの長さに渡って伝送し、また、ファイバーの対向端面が１０×顕微鏡対物レンズを有するＣＣＤカメラ上に撮像された。
【００２３】
図３は均一照明のためファイバーの出口面のＣＣＤカメラ画像（左）および白色光源前方にある文字Ｃスクリーンによるファイバーの出口面のＣＣＤカメラ画像（右）を示す。明確に見られるように、エア・ホール間にあるコアは凝集して画像を案内している。この画像は、約３ｍｍの半径の曲げまでファイバーの曲げを受けても維持され、これを超えると（２５０ミクロン直径のファイバーに対して）伝送損失は相当大きくなる。
【００２４】
図４を参照して、ファイバーの出口面のＣＣＤカメラ画像を示し、ファイバー操作の第２モード（アンチガイド）を証明している。この実験は前回のもとの同一であるが、直径８００ミクロンで長さ２０ｃｍのファイバーで実施されたことのみが異なる。左の画像は均一照明の結果を示している。いくつかのコアの僅かに青味がかった色合いがアンチガイド機構に共通している（青色波長はアンチガイドにおいてより効果的にガイドされる）。右の画像はピンホールの撮像の結果を示している。ピンホールが移動したときに、画像中の明るい点がこれにしたがって移動し、エア・チャネルがそれぞれのガイド・コアとして作用することを証明している。
【００２５】
上述したように、一つの可能なアプリケーションはチップ対チップ結合に関するものである。高周波で動作する高速コンピュータ・チップに対して、チップを接続する小さい線はアンテナとして作用し、一つのチップから他のチップにこのような高速で送られる電子信号は歪み、放射されるかまたは消失してしまう恐れがある。さらに、タイミングと同期化問題が重要になる。これは、ＶＣＳＥＬアレイ（通常、垂直キャビティ面放射レーザのスクエア・アレイ）のような一つのチップドライブを備えることによって潜在的に克服することができる。このアレイはすべて（個々に）信号を搬送するように変調された光ビームのパターンを生成する。次にこの光アレイはＶＣＳＥＬアレイ（ソリッド・コア、中空コアまたは両者いずれも）に適合する適切な寸法と位置にあるコアを有している微細構造撮像ファイバーによって捕捉される。信号はファイバーの他端に伝送され、ここでＶＳＣＥＬアレイのような同様の機構の検出器アレイによって読み出される。ファイバーは、たとえば一つのＶＣＳＥＬからの光を捕捉する各中空チャネルを備えたＶＣＳＥＬアレイにバット接続されるか、または一つのレンズまたは複数のレンズを備えたある撮像機構をＶＣＳＥＬとファイバー端間に配置することができる。
【００２６】
本発明のさらなる可能な適用例は、イア・インプラントに関連する。イア・インプラント（コキリア・ピィティワイ・リミテッドによって開発されたような）は、シリコンに埋設された細い電極からなり、神経に直接刺激を与え、これによってある程度聴覚を回復させるために蝸牛殻にインプラントされる。イア・インプラントをインプラントする際の一つの問題は、これが内耳の視覚画像なしに挿入されることである。時々、障害物に遭遇し、また障害物の視覚画像なしには、いかにしてこれを避けて通るか、またはこれを安全に通過できるかを決定することができない。有利なのは、本発明によって生成されたｍＰＯＦの撮像はとても小さい寸法にすることができ、シリコン・イア・インプラントに組み込むことに適しており、またこれによってチップを挿入する際に、チップからの画像を提供することができる。
【００２７】
本発明のさらなる態様を次に説明する。
【００２８】
微細構造光ファイバーは、複数の光ガイド・コアを含む構造を製造する可能性を許容する。これは、主として、ファイバー・コア間の距離を最小にし、したがってコア・パッキング密度を増大させるため、光学的相互結合のための重要な利点を提供する。この構成は、たとえばＶＣＳＥＬのアレイに効果的に結合できる２Ｄアレイの生成という最重要事項の一つであるキー・アプリケーションを有している。
【００２９】
現行のファイバー・アレイは、ファイバーの直径（一般的に１２５ミクロン）によってパッキング密度が制限されている。微細構造を使用すると、この密度は複数のコアを含んでいる「ファイバー」の使用によって大幅に増大させることができる。付加的に、これらのファイバーのテーパー付けおよび／または型取りが、寸法および（または）形状において合わせるべきモードを可能にする。この構成が現在必要とされているＶＣＳＥＬアレイとファイバー束［たとえば、ポリガイド（商標名）］間の中間構造を省略させる。さらに、マルチコア構造全体のテーパー付けが別のファンアウト装置の必要性をなくす。
【００３０】
マルチコア・ファイバーの製造に二つの主たる方法がある。一つはプリフォーム内に適切に分離されたコアによる積層可能構造を生成する方法である。この場合におけるコア構造は、プリフォームのエッジに直角に延長させることができ、あるいはこの構成が歪みに対して問題が生じれば、ファイバーは続いて第２工程によってトリミングすることができる。次に、アレイはモジュラー形態にファイバーを積層することによって集合することができる。別の方法として、またおそらく好ましい方法において、まったく望ましい構造が図５に示すように毛管を積層し、次にファイバーに引き抜くことによって集合することができる。工程間の違いは、ある場合においては構造が毛管段階で集合され、別の場合においてはファイバー段階において実行される。これら二つの工程は組み合わせることも可能である。しかし、毛管積層のパッキング密度はファイバー積層よりも高くなり、また、ファイバーの後者を集合させてアレイを形成する必要もなくなる。方形または長方形断面部分を有する毛管またはファイバーにはおそらくＶＣＳＥＬアレイの適用が好ましいであろう。
【００３１】
ファイバー・コアの間隔は、モードに対する閉じ込め損失が少なくなる要求によって決定される。これは図６に示すように、リングとエア・フラクションの数によって決定される。
【００３２】
本発明は特定例を参照して説明したが、本発明は多数の他の形態としても実施できることは当業者にとって理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】微細構造ポリマー光ファイバーの断面の顕微鏡画像である。
【図２】本発明に基づく微細構造光ファイバーを利用する撮像実験を示す図である。
【図３】均一照明の当てられたファイバーの出口面におけるＣＣＤカメラ画像（左）、および文字「Ｃ」の画像によって照明されたファイバーの出口面におけるＣＣＤカメラ画像（右）である。
【図４】アンチガイドモードでの動作を示すファイバーの出口面におけるＣＣＤカメラ画像である。
【図５】本発明の１つの態様に基づいて製造されたマルチコア光ファイバーの顕微鏡画像である。
【図６】グラフの左に示された構造に対する閉じ込め損失とリング数間の関係を、ホール直径に対するスペーシング比を画定するｘ軸として示したグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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