(57)【要約】  いくつかの実施形態にしたがえば、３層クラッド光ファイバは、コア、第１内層クラッド、第２内層クラッド、及び外層クラッドを有し、(ｉ)コアは半径ｒ０及び第１の屈折率ｎ０を有し、(ii)第１内層クラッドはコアを囲み、少なくとも約０.１２の開口数及びｎ１＜ｎ０であるような第２の屈折率ｎ１を有し、(iii)第２内層クラッドは第１内層クラッドを囲み、少なくとも約０.２の開口数及びｎ２＞ｎ１であるような第３の屈折率ｎ２を有し、外層クラッドに対する第２内層クラッドの相対屈折率％(Δ％)は１％より大きく、(iv)外層クラッドは第２内層クラッドを囲み、ｎ３＜ｎ２及びｎ３＜ｎ１であるような第４の屈折率ｎ３を有する。
2013520712.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コア、第１内層クラッド、第２内層クラッド及び外層クラッドを有する３層クラッド光ファイバにおいて、
前記コアが半径ｒ０及び第１の屈折率ｎ０を有し、
前記第１内層クラッドが前記コアを囲み、少なくとも約０.１２の開口数及び、ｎ１＜ｎ０であるような、第２の屈折率ｎ１を有し、
前記第２内層クラッドが前記第１内層クラッドを囲み、少なくとも約０.２の開口数及び、ｎ２＞ｎ１であるような、第３の屈折率ｎ２を有し、前記外層クラッドに対する前記第２内層クラッドの相対屈折率％(Δ％)は１％より大きく、
前記外層クラッドが前記第２内層クラッドを囲み、ｎ３＜ｎ２及びｎ３＜ｎ１であるような、第４の屈折率ｎ３を有する、
ことを特徴とする３層クラッド光ファイバ。
【請求項２】
前記コアが約５μｍより小さい前記半径ｒ０を有し、いかなる希土類ドーパントも含んでおらず、
前記第１内層クラッドが少なくとも１０μｍの径方向厚さを有し、前記内層クラッドに対する前記コアの相対屈折率％(Δ％)が約０.０７％より大きく、
前記第２内層クラッドが少なくとも８μｍの径方向厚さを有し、
前記外層クラッドが少なくとも１０μｍの径方向厚さを有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の３層クラッド光ファイバ。
【請求項３】
前記コア、前記第１内層クラッド、前記第２内層クラッド及び前記外層クラッドがシリカベースガラスで形成され、前記ファイバが１０６０〜１７００ｎｍの波長範囲において１ｄＢ/ｋｍより小さい減衰を有することを特徴とする請求項２に記載の３層クラッド光ファイバ。
【請求項４】
前記コアの前記開口数ＮＡが約０.０８から約０.２であることを特徴とする請求項２に記載の３層クラッド光ファイバ。
【請求項５】
前記第２内層クラッドが、前記外層クラッドに対する前記第２内層クラッドの前記相対屈折率％(Δ％)が約３％より大きくなるようなドーパントを含み、
前記コアが、前記内層クラッドに対する前記コアの前記相対屈折率％(Δ％)が少なくとも約０.２％になるようなドーパントを含み、
前記外層クラッドが約５.０重量％より少ないＦ及び約１０重量％より少ないＢ２Ｏ３の形態のＢを含む、
ことを特徴とする請求項２に記載の３層クラッド光ファイバ。
【請求項６】
前記外層クラッドが、前記内層クラッドの前記屈折率ｎ２に対して前記外層クラッドの前記屈折率ｎ３を低める、空孔の分布を有し、
(ｉ)前記空孔の直径が約５００ｎｍ未満であり、前記外層クラッドの局所空孔面積％が約５％から約３０％である、あるいは
(ii)前記空孔の直径が約１μｍより大きく、前記外層クラッドの局所空孔面積％が約８０％から約９５％である、
ことを特徴とする請求項２に記載の３層クラッド光ファイバ。
【請求項７】
前記コアの波長分散の絶対値が、約１３１０〜１５５０ｎｍの動作波長に対して約１８ｐｓ/ｎｍ/ｋｍより小さいことを特徴とする請求項２に記載の３層クラッド光ファイバ。
【請求項８】
レーザ源、特許請求項１に記載の３層クラッド光ファイバ、ビーム走査ユニット、光検出器及びコンピュータを備える光内視鏡において、
前記３層クラッド光ファイバが、コア、第１内層クラッド、第２内層クラッド及び外層クラッドを有し、
前記レーザ源の出力が前記３層クラッド光ファイバの前記コアに導き入れられるように、前記レーザ源の前記出力が前記３層クラッド光ファイバの第１の末端において前記３層光ファイバの前記コアに光結合され、
前記光検出器が前記３層クラッド光ファイバの前記第１の末端において前記光ファイバの前記第１内層クラッド及び前記第２内層クラッドに結合され、前記内層クラッドを通って進行している光を電気信号に変換するために動作することができ、
前記コンピュータが前記光検出器に電気的に接続され、前記光検出器から送られる前記電気信号から画像を形成するために動作することができ、
前記ビーム走査ユニットが前記３層クラッド光ファイバに第２の末端に光結合され、前記ビーム走査ユニットは、前記３層クラッド光ファイバの前記コアに導き入れられた前記レーザ源の前記出力を標的にかけて二次元で走査するため及び前記標的から放射される光を前記光ファイバの前記第１内層クラッド及び前記第２内層クラッド内に集光するために動作することができる、
ことを特徴とする光内視鏡。
【請求項９】
前記第２内層クラッドが前記第１内層クラッドより高い屈折率を有することを特徴とする請求項１に記載の３層クラッド光ファイバ。
【請求項１０】
(ｉ)前記コアの実効面積が＞３０μｍ２及び≦１００μｍ２、及び／または(ii)前記コアが動作波長において単一モードコアであることを特徴とする請求項１に記載の３層クラッド光ファイバ。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は、２０１０年２月２４日に出願された、米国特許出願第１２/７１１６７１号の優先権の恩典を主張する。
【技術分野】
【０００２】
本発明は３層クラッド光ファイバ及び３層クラッド光ファイバを利用するデバイスに関し、さらに詳しくは、開口数が大きい内層クラッドを有する３層クラッド光ファイバ及びそのような３層クラッド光ファイバを利用する内視鏡に関する。
【背景技術】
【０００３】
内視鏡、特に２光子蛍光発光を利用する非線形光内視鏡は、試料及び／または被検者に蛍光顕微鏡検査を行う最善の非侵襲性手段の１つとして出現した。非線形光内視鏡は光ファイバによって標的に向けられる光源すなわち励起レーザビームを利用する。標的との励起レーザビームの相互作用が標的材料に２光子吸収による蛍光すなわち発光を生じさせ、この光が、その後の分析、撮像分光測定等のため、光ファイバによって集光されて内視鏡に戻される。１光子顕微鏡検査と比較して、２光子顕微鏡検査は本来的な、光断層化特性、より大きな侵入深さ及びフレキシブルな光スペクトルアクセシビリティを提供する。
【０００４】
２光子蛍光発光過程を利用する非線形光内視鏡検査法の肝要なコンポーネントの１つは内視鏡に用いられる光ファイバである。内視鏡では注目する標的に励起レーザビームを送るために標準単一モード光ファイバが用いられるが、これらの光ファイバは標的による発光信号を、その後の分析、撮像、分光測定等のために、集光して内視鏡に戻すには適していない。これは根本的に、光ファイバの集光効率を制限する、標準単一モードファイバの小開口数及び小コア径による。
【０００５】
非線形光内視鏡の集光効率を改善するため、２層クラッド光ファイバを用いることができる。そのような光ファイバは一般に、コア、内層クラッド及び外層クラッドを有する。内視鏡の励起ビームは光ファイバのコアを介して標的に送られ、標的からの発光は光ファイバの内層クラッドを介して集光されて内視鏡に戻される。高集光効率を得るためには、大きな内層クラッド開口数が望ましい。開口数は内層クラッドに屈折率上げドーパントをドープすることによって大きくすることができる。この場合、コアには、コアに導波路を形成するため、さらに高いドーピングレベルで、屈折率上げドーパント(ＧｅまたはＡｌ)をドープしなければならない。しかし、２層クラッドファイバのファイバコアに(内層クラッドに屈折率上げドープをする一方で)高濃度のドーパントをドープすると、背景雑音が大きくなるであろう。内視鏡用途では、低背景雑音の下で２光子信号を集光することが望ましい。背景雑音を低めるためには、屈折率上げドーパントレベルが低いコア及び、純シリカであるかまたは屈折率下げドーパントがドープされた内層クラッドを、導波路構造を形成するために有する２層クラッドファイバを用いることができる。しかし、内層クラッドの屈折率を低めるほど内層クラッドのＮＡが小さくなり、この結果、２層クラッドファイバの集光効率が低くなる。したがって、当業者は一般に、内視鏡用途のための２層クラッドファイバの設計において、良好な集光効率または低背景雑音のいずれかに傾注しなければならない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、コアのドーパントレベルは低いが、クラッド層における集光効率を高めるためにクラッド層の開口数は大きいファイバの設計が必要とされている。したがって、代わりの光ファイバ及びこれを利用する非線形光内視鏡が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
いくつかの実施形態において、３層光ファイバは、コア、第１内層クラッド、第２内層クラッド及び外層クラッドを有し、
(ｉ)  コアは半径ｒ０及び第１の屈折率ｎ０を有し、
(ii)  第１内層クラッドはコアを囲み、少なくとも約０.１２の開口数及び、ｎ１＜ｎ０であるような、第２の屈折率ｎ１を有し、
(iii) 第２内層クラッドは第１内層クラッドを囲み、少なくとも約０.２の開口数及び、ｎ２＞ｎ１であるような、第３の屈折率ｎ２を有し、外層クラッドに対する第２内層クラッドの相対屈折率％(Δ％)は１％より大きく、
(iv)  外層クラッドは第２内層クラッドを囲み、ｎ３＜ｎ２及びｎ３＜ｎ１であるような、第４の屈折率ｎ３を有する。
【０００８】
いくつかの実施形態において、３層クラッド光ファイバは、全てがシリカベースガラスでつくられた、コア、第１内層クラッド、第２内層クラッド及び外層クラッドを有する。コアは、約５μｍより小さい半径ｒ０及び屈折率ｎ０を有することができ、活性(希土類)ドーパントを全く含んでいない。第１内層クラッドはコアを囲むことができ、少なくとも約５μｍの径方向厚さ、少なくとも約０.１２(好ましくは少なくとも約０.１４)の開口数及びｎ１＜ｎ０であるような屈折率ｎ１を有する。内層クラッドに対するコアの相対屈折率％(Δ％)は約０.０７％より大きくすることができ、いくつかの実施形態においては０.１％より大きい。第２内層クラッドは第１内層クラッドを囲むことができ、少なくとも約１０μｍの径方向厚さ、少なくとも約０.２(いくつかの実施形態においては＞０.２５)の開口数及びｎ２＞ｎ１であるような屈折率ｎ２を有する。外層クラッドは第２内層クラッドを囲むことができ、約１０μｍから約５０μｍの径方向厚さ及びｎ３＜ｎ２であるような屈折率ｎ３を有する。外層クラッドに対する内層クラッドの相対屈折率％(Δ％)は約１.５％より大きい。
【０００９】
別の実施形態において、非線形光内視鏡は、レーザ源、３層クラッド光ファイバ、ビーム走査ユニット、光検出器及びコンピュータを備える。３層クラッド光ファイバは、シリカベースガラスの、コア、第１内層クラッド、第２内層クラッド及び外層クラッドを有する。コアは、約５μｍより小さい半径ｒ０及び屈折率ｎ０を有することができ、活性(希土類)ドーパントを全く含んでいない。第１内層クラッドはコアを囲むことができ、少なくとも約５μｍの径方向厚さ、少なくとも約０.１２の開口数及びｎ１＜ｎ０であるような屈折率ｎ１を有する。第１内層クラッドに対するコアの相対屈折率％(Δ％)は約０.０７％より大きく、さらには０.１％より大きくすることができる。第２内層クラッドは第１内層クラッドを囲むことができ、少なくとも約１０μｍの径方向厚さ、少なくとも約０.２の開口数及びｎ２＞ｎ１であるような屈折率ｎ２を有する。外層クラッドは第２内層クラッドを囲むことができ、約１０μｍから約５０μｍの径方向厚さ及びｎ３＜ｎ２であるような屈折率ｎ３を有する。外層クラッドに対する内層クラッドの相対屈折率％(Δ％)は約１.５％より大きい。レーザ源の出力は、レーザ源の出力が３層クラッド光ファイバのコアに導き入れられるように、３層クラッド光ファイバの第１の末端において３層クラッド光ファイバのコアに光結合させることができる。光検出器は、３層クラッド光ファイバの第１の末端において３層クラッド光ファイバの内層クラッドに結合させることができ、内層クラッドを通って進んでくる光を電気信号に変換するためにはたらくことができる。コンピュータは、光検出器に電気的に接続させることができ、光検出器から受け取られる電気信号から画像を形成するためにはたらくことができる。ビーム走査ユニットは、光ファイバの第２の末端に光結合させることができ、３層クラッド光ファイバのコアに導き入れられたレーザ源の出力を標的にかけて２次元走査し、標的からの発光を３層クラッド光ファイバの内層クラッド内に集光するためにはたらくことができる。
【００１０】
本発明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、以下の詳細な説明及び特許請求の範囲を含み、また添付図面も含む、本明細書に説明されるように本発明を実施することによって認められるであろう。上述の全般的説明及び以下の詳細な説明が本発明の実施形態を提示し、特許請求されるような本発明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。
【００１１】
図面に示される実施形態は本質的に説明のためのものであり、特許請求の範囲によって定められる本発明の限定は目的とされていない。さらに、本発明の例示のための特定の実施形態の以下の説明は、同様の構造は同様の参照数字で示される、以下の図面とともに読まれたときに理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】図１Ａは、本明細書に示され、説明される１つ以上の実施形態にしたがう光ファイバの断面を簡略に示す。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本明細書に示され、説明される１つ以上の実施形態にしたがう図１Ａの光ファイバの相対屈折率プロファイルを簡略に示す。
【図２】図２は、本明細書に示され、説明される１つ以上の実施形態にしたがう、(寸法及び位置のいずれもが)ランダムに分布する空孔を外層クラッドに有する３層クラッド光ファイバの断面を簡略に示す。
【図３】図３は、本明細書に示され、説明される１つ以上の実施形態にしたがう、(寸法及び位置のいずれもが)規則的に分布する空孔を外層クラッドに有する別の３層クラッド光ファイバの断面を簡略に示す。
【図４】図４は光ファイバの開口数を測定するための試験装置を示す。
【図５】図５は、本明細書に示され、説明される１つ以上の実施形態にしたがう光ファイバを利用する非線形光内視鏡装置の略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明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、以下の詳細な説明及び特許請求の範囲を含み、また添付図面も含む、本明細書に説明されるように本発明を実施することによって認められるであろう。上述の全般的説明及び以下の詳細な説明が本発明の実施形態を提示し、特許請求されるような本発明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。
【００１４】
本明細書では以下の定義及び術語が用いられる。
【００１５】
屈折率プロファイルは、光ファイバの選択された領域にわたる、相対屈折率％(Δ％)と、光ファイバの中心線から測定される、光ファイバの半径の間の関係である。
【００１６】
相対屈折率％またはデルタ％は、
【数１】
2013520712.tif 000003
【００１７】
と定義される。ここで、ｎｉは領域ｉにおける最大屈折率であり、ｎ基準は、本明細書で別途に指定されない限り、基準領域の屈折率である。
【００１８】
モードフィールド径は(ＭＦＤ)は単一モードファイバ内を伝搬している光のスポット径またはビーム幅の尺度である。モードフィールド径は、光源波長、ファイバコア半径及びファイバ屈折率プロファイルの関数である。ＭＦＤはピーターマンII法を用いて測定され、ここでＭＦＤ＝２ｗであって、
【数２】
2013520712.tif 000004
【００１９】
である。ここで、Ｅは光ファイバ内の電場分布であり、ｒは光ファイバの半径である。
【００２０】
ファイバの波長分散または分散は、材料分散、導波路分散及び内部モード分散の総和である。単一モード導波路ファイバの場合、内部モード分散はゼロである。
【００２１】
ファイバの実効面積は光が伝搬するファイバの面積であり、
【数３】
2013520712.tif 000005
【００２２】
と定義される。ここで、Ｅはファイバ内を伝搬する光に付随する電場であり、ｒはファイバの半径である。
【００２３】
カットオフ波長は光ファイバがただ１つの伝搬モードをサポートするであろう最短波長である。動作波長がカットオフ波長より短い場合は、多モード動作がおこることができ、さらなる分散源の導入がファイバの情報搬送能力を制限し得る。数学的定義は、ユノーム(Jeunhomme)著，「単一モード光ファイバ(Single Mode Fiber Optics)」，(米国ニューヨーク)，マーセル・デッカー(Marcel Dekker)，１９９０年，ｐ.３９-４４，に見ることができ、理論ファイバカットオフはモード伝搬定数が外層クラッド内の平面波伝搬定数に等しくなる波長として説明されている。この理論波長は、直径変動がない、無限長の完全に真直なファイバに対して妥当である。
【００２４】
ファイバカットオフ波長は理論カットオフ波長より短くなるであろう。ファイバカットオフ波長は、名称を「伝送パワーによる未ケーブル化単一モードファイバのカットオフ波長測定(Measurement of Cut-off Wavelength of Uncabled Single-mode Fiber By Transmitted Power)」とする、ＴＩＡ-４５５-８０Ｂに説明されている手法のような、伝送パワー法を用いて測定される。３層クラッド光ファイバのコア領域を伝搬している光と内層クラッド領域を伝搬している光の間の干渉を避けるため、光源からの光を３層クラッド光ファイバのコアに導き入れるための投射ファイバが用いられる。投射ファイバは３層光ファイバの予想コアファイバカットオフ波長より若干長いカットオフ波長を有する。投射ファイバの長さは２ｍより長くするべきである。投射ファイバのコア径は３層クラッド光ファイバのコア径とほぼ同じである。測定において、投射ファイバは、投射ファイバのコアと３層クラッド光ファイバのコアの間の高効率結合を保証するため、３層クラッド光ファイバに慎重に位置合せされる。
【００２５】
指定される波長について、全ての(分散、カットオフ波長、等のような)波長依存光学特性が本明細書に報告される。
【００２６】
本明細書に用いられるように、Δ０％は当然、３層クラッド光ファイバの第１内層クラッドに対する３層クラッド光ファイバのコアの相対屈折率％(Δ％)を指す。したがって、
【数４】
2013520712.tif 000006
【００２７】
である。ここで、ｎ０はコアの屈折率であり、ｎ１は第１内層クラッドの屈折率である。
【００２８】
本明細書に用いられるように、Δ１％は当然、３層クラッド光ファイバの外層クラッドに対する３層クラッド光ファイバの第１内層クラッドの相対屈折率％(Δ％)を指す。したがって、
【数５】
2013520712.tif 000007
【００２９】
である。ここで、ｎ１は第１内層クラッドの屈折率であり、ｎ３は外層クラッドの屈折率である。
【００３０】
本明細書に用いられるように、Δ２％は当然、３層クラッド光ファイバの外層クラッドに対する３層クラッド光ファイバの第１内層クラッドの相対屈折率％(Δ％)を指す。したがって、
【数６】
2013520712.tif 000008
【００３１】
である。ここで、ｎ２は第２内層クラッドの屈折率であり、ｎ３は外層クラッドの屈折率である。
【００３２】
図１Ａは、本明細書に示され、説明される一実施形態にしたがう３層クラッド光ファイバを示す。本明細書に説明される３層クラッド光ファイバは全般に、コア１０２，(本明細書では第１内層クラッドとも称される)第１のクラッド層１０４，(本明細書では第２内層クラッドとも称される)第２のクラッド層１０５及び外層クラッド(第３のクラッド層)１０６を有する。第２内層クラッド１０５は第１の内層クラッド１０４を囲み、大きい開口数を有する。外層クラッド及び第２内層クラッドの材料は、外層クラッド及び第２内層クラッドの屈折率が第２内層クラッドに大きな開口数を与えるように、選ばれる。いくつかの実施形態にしたがえば、外層クラッドは、少なくともＦがドープされたシリカベースガラスである。コア、内層クラッド及び外層クラッドは一般にシリカ、特に石英ガラスを含む。少なくともいくつかの実施形態にしたがえば、ファイバの減衰は１０６０〜１７００ｎｍの波長範囲において１ｄＢ/ｋｍより小さい。
【００３３】
３層クラッド光ファイバの構造、組成、作製方法、特性、及び３層クラッド光ファイバを利用するデバイスが本明細書でさらに詳細に説明され、論じられるであろう。
【００３４】
いくつかの実施形態にしたがえば、ファイバコア１０２は屈折率ｎ０を有する。ファイバコア１０２は、屈折率を高めるためにＧｅまたはＡｌのような屈折率上げドーパントがドープされたガラスでつくることができ、あるいは純シリカでつくることができる。第１内層クラッド１０４は屈折率ｎ１＜ｎ０を有する。第１内層クラッド１０４は純石英ガラスあるいはＦまたはＢのような屈折率下げドーパントがドープされたガラスでつくることができる。いくつかの実施形態にしたがえば、第１内層クラッドに対するコアの相対屈折率変化(Δ０)は０.１〜２％の範囲にある。いくつかの実施形態にしたがえば、コア半径ｒ０は２〜１０μｍの範囲にある。第１内層クラッドの外半径ｒ１はコア１０２内を導波されている光のトンネリング損失を低めるためにコア半径ｒ０の５倍より大きいことが好ましい。いくつかの実施形態にしたがえば、外層クラッドに対する第１内層クラッドの屈折率変化(Δ１)は０.５〜１.５％の間であることが好ましい。第２内層クラッド１０５は屈折率ｎ２＞ｎ１を有する。第２内層クラッド１０５はＧｅ，ＡｌまたはＴｉのような屈折率上げドーパントがドープされたガラスでつくることができる。外層クラッド１０６は屈折率ｎ３＜ｎ２を有する。外層クラッド１０５は、屈折率下げドーパント、例えばＢまたはＦが、あるいはいずれもが、ドープされたガラスでつくることができる。外層クラッドに対する第２内層クラッドの相対屈折率変化(Δ２)は、０.２５より大きいＮＡに対応する、１.５％より大きいことが好ましい。内層クラッドの好ましい総厚(第１内層クラッド厚＋第２内層クラッド厚)は、用途に依存して、２５〜５００μｍの間である。外層クラッドの厚さは１０〜５０μｍの間であることが好ましい。図１Ａ，１Ｂ及び２に示されるような３層クラッド光ファイバ１００を用いる２光子顕微鏡検査法において、ポンプ光はコア内を導波されて標的に送られ、標的との相互作用後の光信号は内層クラッドによって集光される。コア１０２は、高ビーム品質を保証するため、ポンプ波長において単一モードであることが好ましい。第２内層クラッド１０５は、信号の高取込効率を可能にするため、大開口数及び大寸を有することが好ましい。
【００３５】
ここで図１Ａ及び１Ｂを参照すれば、本明細書に説明される一実施形態にしたがう、３層クラッド光ファイバ１００の断面及び対応する屈折率プロファイルが示される。図１Ａの３層クラッド光ファイバ１００は、コア１０２，第１内層クラッド１０４，第２内層クラッド１０５及び外層クラッド１０６を有する。図示される実施形態において、コア１０２，第１内層クラッド１０４，第２内層クラッド１０５及び外層クラッド１０６は一般にシリカ、特に石英ガラスからなる。一実施形態(図示せず)において、１層以上の保護被覆が外層１０６を囲むことができる。本明細書に図示される実施形態において、３層クラッド光ファイバの断面は一般にコアの中心に関して円対称であるが、光ファイバ及び個々の光ファイバ層(例えば、コア、内層クラッド及び外層クラッド)が他の幾何学的形状を有し得ることは当然である。３層クラッド光ファイバ１００が図１Ａに示されるように円対称である場合、３層クラッド光ファイバ１００の外径(例えば、２ｒ３)は、約１００μｍから約５００μｍ、さらに好ましくは１２５μｍから約３００μｍ、最も好ましくは１２５μｍから約２５０μｍとすることができる。
【００３６】
図１Ａに示される実施形態において、３層クラッド光ファイバのコア１０２は第１の屈折率ｎ０を有する。コア１０２は純シリカ(ＳｉＯ２)からなるか、あるいはコア１０２は好ましくは、コアが「上げドープ」されている場合のように、比較的小量の、例えば、ＧｅＯ２，Ａｌ２Ｏ３，Ｐ２Ｏ５，ＴｉＯ２，ＺｒＯ２，Ｎｂ２Ｏ５及び／またはＴａ２Ｏ５のような、１つ以上の屈折率上げドーパントを含むことができる。本明細書で論じられる実施形態及び実施例において、コア１０２は約０重量％から約２０重量％のＧｅＯ２，例えば約０重量％から約１０重量％のＧｅＯ２，いくつかの実施形態例においては約０重量％から約６重量％のＧｅＯ２を含むことができる。あるいは、本明細書で論じられる実施形態及び実施例において、コア１０２は約０重量％から約１０重量％のＡｌ２Ｏ３，例えば約０重量％から約８重量％のＡｌ２Ｏ３，いくつかの実施形態において約０重量％から約７重量％，さらには約０重量％から約４重量％のＡｌ２Ｏ３を含むことができる。
【００３７】
コア１０２の半径ｒ０は、例えば、約１.５μｍから約５μｍ、さらに好ましくは約２μｍから約４μｍとすることができ、いくつかの実施形態においては、３層クラッド光ファイバのコアを通って伝搬する光のスポット径が、３層クラッド光ファイバが非線形光内視鏡とともに用いられる場合の高光パワー密度に相当し、したがって強い非線形効果を生じるほどに小さくなるように、約２.５μｍから約３.５μｍとすることができる。しかし、スポット径は光源から３層クラッド光ファイバへの高効率結合のために十分に大きくもするべきである。３層クラッド光ファイバのコア１０２の実効面積は、約３０μｍ２から約１２０μｍ２，さらに好ましくは約５０μｍ２から約１００μｍ２とすることができる。
【００３８】
第１内層クラッドに対するコアの相対屈折率％(Δ％)(例えばΔ０％)は少なくとも０.１％とすることができ、さらに好ましくは約０.２％より大きく、最も好ましくは約０.３％より大きく、例えば、０.４％，０.５％，０.６％，０.７５％，１％，１.２％または１.３％とすることができる。コアの開口数ＮＡは、コアが光信号を受け入れるかまたは放射する角度範囲をこえる角度範囲が特徴であり、コア１０２及び(本明細書でさらに論じられる)内層クラッド１０４の屈折率に直接に関係する。本明細書で用いられるように、「コアの開口数」は、屈折率ｎ０を有するコア及び屈折率ｎ１を有する第１内層クラッドに対して、
【数７】
2013520712.tif 000009
【００３９】
と表される。別途に言明されない限り、コアの開口数すなわちＮＡコアに対するいかなる言及も上に挙げた数学的関係によって定められるようなコアの開口数を指す。本明細書に示され、説明される実施形態において、コア１０２及び内層クラッド１０４を構成する材料は、コア１０２の開口数ＮＡが、好ましくは約０.０８から約０.２５，さらに好ましくは約０.０９から約０.２０，最も好ましくは０.１から０.１５になるように、選ぶことができる。コアの屈折率プロファイルは、図１Ｂに示されるようなステッププロファイル、角が丸められたステッププロファイルまたは傾斜プロファイルとすることができる。
【００４０】
一実施形態において、コア１０２は受動とすることができる。例えば、コア１０２は、コア１０２において利得作用またはレーザ発振作用を可能にするであろう活性元素を全く含んでいない。詳しくは、コア１０２には、Ｙｂ，Ｅｒ，Ｎｄ，Ｔｍ，ＳｍおよびＴｂを含む、いかなる希土類ドーパントも欠けているであろう。いくつかの実施形態において、コア１０２の石英ガラスの軟化温度を低めるため、リンをコア１０２に添加することができる。これは、内付け(ＩＶＤ)プロセスによってコアが形成される場合に特に有利であり得る。リンの添加は、コア１０２の屈折率ｎ０を高めるためにも利用することができる。
【００４１】
本明細書に示され、説明される実施形態において、３層クラッド光ファイバのコアは、例えば、８００ｎｍ，１０６０ｎｍ、１３１０ｎｍ及び１５５０ｎｍの波長のような、所望の動作波長において単一モードになる。本明細書で用いられるように、単一モードであることは、３層クラッド光ファイバのコアが特定の光波長に対して１つの伝搬モードだけをサポートすることを意味する。単一モードファイバは一般に多モードファイバより優れた分散特性(例えば低分散)を有する。ファイバカットオフ波長は一般に、単一モード伝搬に適している動作波長を定め、カットオフ波長より長い動作波長で３層クラッド光ファイバは単一モードなるであろう。すなわち、ファイバコアカットオフ波長が、ファイバが用いられることになる動作波長よりも短くなるように、例えば、８００ｎｍ，１０６０ｎｍ，１３１０ｎｍ及び／または１５５０ｎｍより短くなるように、ファイバが設計されることが望ましい。
【００４２】
第１内層クラッド１０４は、ｎ１＜ｎ０であるような、第２の屈折率ｎ１を有することができる。第１内層クラッド１０４は純シリカ(ＳｉＯ２)からなるか、あるいは、内層クラッドが「下げドープ」されている場合のように、フッ素またはホウ素のような屈折率を低める１つ以上のドーパントを含む石英ガラスからなる。一実施形態において、コア１０２は６重量％より少ないＧｅＯ２でＧｅドープされ、第１内層クラッド１０４は純石英ガラスである。別の実施形態において、ロア１０２は純石英ガラスであり、第１内層クラッド１０４は、約０.５重量％から約２重量％，例えば０.５〜１.５重量％，例えばいくつかの実施形態では０.６重量％から約１.５重量％及び／または０.７重量％から約１.２重量％の、量でＦがドープされた石英ガラスからなることができる。
【００４３】
第２内層クラッド１０５は第１内層クラッド１０４を囲み、第１内層クラッドより大きい屈折率ｎ２を有する(すなわちｎ２＞ｎ１)。いくつかの実施形態において、第２内層クラッド１０５は、約５重量％から約４０重量％，さらに好ましくは２０重量％から約４０重量％(例えば、１０重量％，１５重量％，２０重量％，２５重量％，３０重量％，３５重量％または４０重量％)の量でＧｅＯ２がドープされた石英ガラスからなる。いくつかの実施形態において、第２内層クラッドは、約１重量％から約２０重量％，さらに好ましくは１０重量％から約２０重量％の量でＴｉＯ２がドープされた石英ガラスからなる。また別の実施形態において、第２内層クラッド１０５は、約０重量％から１８重量％，例えば、１重量％から約１５重量％，最も好ましくは約５重量％から１８重量％の、Ａｌ２Ｏ３がドープされた石英ガラスからなることができる。コア１０２に添加されるドーパントが第２内層クラッド１０５に添加されるドーパントと同じである必要はないことは当然である。例えば、第２内層クラッド１０５はＧｅＯ２がドープされた石英ガラスからなることができ、コアは純シリカまたは比較的小量のＡｌ２Ｏ３がドープされたシリカとすることができる。
【００４４】
第１内層クラッド１０４の厚さ(例えばｒ１−ｒ０)は、約２０μｍより大きく、例えば１１μｍと３５μｍの間とすることができる。比ｒ１/ｒ０は、トンネリング誘起損失を最小限に抑えるため、≧５であることが好ましい。
【００４５】
少なくとも１つの実施形態にしたがえば、「第１内層クラッドの開口数」は関係式、
【数８】
2013520712.tif 000010
【００４６】
を用いて計算することができる。ここで、ｎ１は第１内層クラッド１０４の屈折率であり、ｎ３は(本明細書でさらに論じられる)外層クラッド１０６の屈折率である。例えば、第１内層クラッド１０４の開口数(ＮＡ)は、＞０.２５または≧０.２９，例えば0．２５〜０.３とすることができる。
【００４７】
第２内層クラッド１０５の厚さ(例えばｒ１−ｒ０)は約１０μｍより大きくすることができ、いくつかの実施形態において、１２μｍまたは約１４μｍより大きく、例えば１５μｍと１７５μｍの間、または約１５μｍと約９０μｍの間とすることができる。第２内層クラッド１０５の相対屈折率％(Δ％)(例えばΔ２％)は、少なくとも０.２５の開口数に対応する、約１.５％より大きい。第２内層クラッドの開口数は、第１内層クラッド及び第２内層クラッドが光信号を受け入れるかまたは放射する角度範囲をこえる角度範囲が特徴であり、２つの内層クラッド及び外層クラッドの屈折率間の数学的関係に依存する。少なくとも１つの実施形態にしたがえば、「第２内層クラッドの開口数」は関係式、
【数９】
2013520712.tif 000011
【００４８】
を用いて計算することができる。ここで、ｎ２は第２内層クラッドの屈折率であり、ｎ３は(本明細書でさらに論じられる)外層クラッドの屈折率である。例えば、表２Ａ及び２Ｂに示されるファイバ実施例に対し、内層クラッドの開口数は上で定義された数学的関係を用いて決定されている。しかし、表１に示されるファイバ実施例の内層クラッドの開口数は、本明細書でさらに論じられる装置及び手法を用いて実験的に決定されている。第２内層クラッド１０５及び外層クラッド１０６の相対組成は、所望の開口数を有する第２内層クラッドが屈折率の差によって得られるように、選ぶことができる。第２内層クラッド１０５の開口数は、第２内層クラッドがそれにわたって光信号を受け入れるかまたは放射する角度範囲を最大化するため、約０.２５より大きく、さらに好ましくは約０.３より大きく、最も好ましくは約０.３５より大きくすることができる。第２内層クラッド１０５の屈折率は、図１Ｂに示されるようなステッププロファイル、角が丸められたステッププロファイルまたは傾斜プロファイルとすることができる。
【００４９】
外層クラッド１０６の厚さ(例えば、ｒ３−ｒ２)は約１０μｍから約５０μｍ、さらに好ましくは約１２.５μｍから約３０μｍ、最も好ましくは約１５μｍから約２０μｍとすることができる。外層クラッド１０６は一般に、ｎ３＜ｎ２であるような、第３の屈折率ｎ３を有することができる。ｎ１＞ｎ３及びｎ０＞ｎ３であることが好ましい。上述したように、第１内層クラッド１０４及び外層クラッド１０６の材料組成は、第２内層クラッド１０５に対する所望の開口数が屈折率の差によって得られるように、選ぶことができる。約０.２５より大きい所望の開口数を有する第２内層クラッド１０５を達成するため、外層クラッド１０６は、外層クラッドの屈折率ｎ３と第２内層クラッドの屈折率ｎ２の間の差により第２内層クラッド１０５に対する所望の開口数が得られるように、第２内層クラッド１０５に対して下げドープすることができる。あるいは、第２内層クラッド１０５を外層クラッド１０６に対して上げドープすることができ、または、第２内層クラッド１０５を外層クラッド１０６に対して上げドープすることができ、外層クラッド１０６は第２内層クラッド１０５に対して下げドープされる。
【００５０】
少なくとも１つの実施形態において、外層クラッド１０６は、第１内層クラッド１０４及び第２内層クラッド１０５の屈折率ｎ１及びｎ２に対して外層クラッドの屈折率ｎ３を低める、フッ素、ホウ素またはこれらの組合せのような、１つ以上のドーパントを含む石英ガラスからなることができる(例えば外層クラッド１０６は「下げドープ」される)。一実施形態において、外層クラッド１０６は、外層クラッド１０６に対する第１内層クラッド１０４及び第２内層クラッドの相対屈折率％(Δ％)(例えばΔ２％)が約１.５％より大きくなるように、約５重量％より少ないＦ及びＢ２Ｏ３の形態の約１０重量％より少ないＢ，さらに好ましくは約２.５重量％より少ないＦ及びＢ２Ｏ３の形態の約５重量％より少ないＢ，最も好ましくは約２重量％より少ないＦ及びＢ２Ｏ３の形態の約５重量％より少ないＢを含む、石英ガラスからなることができる。第１の内層クラッド１０４が純石英ガラスからなり、外層クラッド１０６が約２重量％のＦ及び約５重量％のＢを含む石英ガラスからなる場合、第１内層クラッドの開口数は約０.３０であり得る。いくつかの実施形態において、第２内層クラッド１０５が第２内層クラッド１０５の屈折率を高めるドーパント(例えば、ＧｅＯ２，Ａｌ２Ｏ３，等)を含み、外層クラッド１０５が約２重量％のＦ及び約５重量％のＢを含む石英ガラスからなる場合、第２内層クラッドの開口数は約０.３６より大きくなり得る。
【００５１】
あるいは、外層クラッド１０６の屈折率ｎ３は、外層クラッドが空孔を有している、２つの実施形態の３層クラッド光ファイバ２００，３００を示す図２及び３に示されているような空孔の分布を外層クラッドが有するように外層クラッドを形成することによって、低めることができる。空孔は空気及び／または、空孔の屈折率が外層クラッドの屈折値率より低くなるような、固結ガラスを有することができる。したがって、外層クラッドに空孔を導入することにより、外層クラッドの屈折率ｎ３を内層クラッドの屈折率に対して低めることができる。
【００５２】
外層クラッド２０６が空孔を含んでいる３層クラッド光ファイバ２００の断面が図２に示される。空孔を含んでいる外層クラッド２０６は外層クラッド全体にわたって分布する複数の空孔２０８を有する。一実施形態において、空孔は、３層クラッド光ファイバ２００がそれから線引きされる光ファイバプリフォームの作製中に外層クラッドの材料が堆積されて固結されるときに、外層クラッド内に形成された離散独立空孔からなることができる。独立空孔は固結プロセス中に空孔に閉じ込められた固結ガスを含むことができる。図示される実施形態において、空孔２０８は小さくすることができる。例えば、空孔は３層クラッドファイバ２００の第２内層クラッド２０５に沿って伝搬される光の波長より小さい直径を有することができる。例えば、空孔２０８は、約５００ｎｍより小さく、さらに好ましくは約３００ｎｍより小さく、最も好ましくは２００ｎｍより小さい、直径を有することができる。図２に示されるように、空孔は、外層クラッド２０６が異なる断面積を有する空孔の分布を有するように、外層クラッド全体にわたってランダムな寸法分布を有することができる。外層クラッド内の空孔が小寸空孔である場合、本明細書で定義されるような、空孔の局所空孔面積％は５％より大きく(例えば５％から６０％)になり得る。例えば、局所空孔面積％は、約１０％より大きく、さらに好ましくは約２０％より大きく、最も好ましくは約２５％より大きい。空孔の局所空孔面積％は好ましくは６０％より小さく、例えば３０％より小さくすることができる。局所空孔面積％は、本明細書に用いられるように、(光ファイバの軸に垂直にとられた断面で光ファイバを見たときの)空孔を含む領域の総面積で割られた空孔を含む領域(例えば外層クラッド)内の空孔の総面積の１００倍を意味する。図２に示される特定の実施形態において、外層クラッド２０６の局所空孔面積％は２５％程度である。
【００５３】
いくつかの実施形態において、外層クラッドに含まれる空孔は非周期的に配置されるかまたは周期的に配置されるか、あるいはいずれでもあり得る。「非周期的配置」または「非周期的分布」は、光ファイバの(軸線に垂直な断面のような)特定の断面に対して、非周期的に配置された空孔が外層クラッドにかけてランダムにまたは非周期的に分布することを意味する。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、様々な断面は相異なる空孔パターンを有し、空孔及び空孔径の分布は一致しないであろう。これらの空孔は光ファイバの長さに沿って(すなわち、光ファイバの軸線に平行に)引き伸ばされる(細長にされる)が、伝送ファイバの一般長に対してファイバ全体の全長の端から端にわたることはない。理論に束縛されることは望まないが、空孔の伸びは数ｍ未満であり、多くの場合ファイバの長さに沿って１ｍ未満である。本明細書に開示される３層クラッド光ファイバ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の形成がおこる結果を得るに有効なプリフォーム固結条件を利用する方法によって作製することができる。そのような空孔を取り除く工程をとるのではなく、得られたプリフォームはその中に空孔を含む光ファイバを形成するために用いられる。本明細書に用いられるように、空孔の直径は、光ファイバの軸線に垂直に横切る垂直断面で光ファイバを見たときに、端点が空孔を定めるシリカ内部表面上に配置されている最長線分である。
【００５４】
図２に示される実施形態において、３層クラッド光ファイバ２００の第１内層クラッド１０４及びコア１０２は、図１に示される３層クラッド光ファイバ１００に関して本明細書で上述した第１内層クラッド及びコアと同様とすることができる。純石英ガラスからなる内層クラッド及び、ほぼ２５％の局所空孔面積を有する、空気孔を含む外層クラッドを有する３層クラッド光ファイバにより、約０.６８の開口数を有する内層クラッドを得ることができる。
【００５５】
図２に示される空孔２０８は本明細書においてランダムな寸法分布を有する非周期的に分布する独立空孔として説明されてきたが、空孔２０８が、外層クラッド全体にわたって周期的に分布することもでき、空孔が概ね一様な寸法も有し得ることは当然である。さらに、空孔は開放連続空孔であることもでき、その結果、本明細書でさらに詳細に説明されるように空気を含むことができる。
【００５６】
次に図３を参照すれば、別の実施形態の、外層クラッド３０６が空孔を含んでいる３層クラッド光ファイバ３００が示される。本実施形態において、空孔３０８は大寸である。例えば、空孔３０８は３層光ファイバ３００の内層クラッド１０４に沿って伝搬される光の波長より大きい直径を有する、例えば、本実施形態において、大寸空孔３０８は一般に１μｍより大きく、さらに好ましくは約５μｍより大きく、最も好ましくは約１０μｍより大きい、直径を有する。空孔３０８が大寸である場合、本明細書で定義されるような、局所空孔面積％は、約８０％より大きく、さらに好ましくは約９０％より大きく、最も好ましくは約９５％より大きい。空孔３０８が大寸である場合、本明細書で定義されるような、局所空孔面積％は好ましくは９８％未満であり得る。図示される例において、外層クラッド３０６の局所空孔面積％は９０％程度であり、これは外層クラッドの総合屈折率を大きく低める。外層クラッドの局所空気孔面積がほぼ８０％から９０％であり、第２内層クラッドがアンドープ石英ガラスからなる場合、第２内層クラッドは約１の開口数を有し得る。
【００５７】
図３に示される実施形態において、空孔３０８は外層クラッドの断面全体にわたって周期的に分布させることができる。空孔３０８は一般に同じ直径を有することもできる。空孔３０８は開放連続とすることができ、その結果、空気を含むことができる。空孔３０８は。３層クラッド光ファイバがそれから線引きされる光ファイバプリフォームの外層クラッド領域にドリルで孔を開けることで形成することができる。あるいは大寸空孔３０８は光ファイバプリフォームの「スタックアンドドロー」形成法を用いて形成することができる。ドリル穴開け法及びスタックアンドドロー法は、(例えば図２に関して説明したような)小寸空孔または(例えば図３に関して説明したような)大寸空孔のいずれの作製にも用いることができる。しかし、外層クラッドに開放連続空孔を形成するために他の技法を用い得ることは当然である。
【００５８】
一実施形態において、図１〜３の３層クラッド光ファイバは外付け(ＯＶＤ)プロセスによって作製することができる。ＯＶＤプロセスは、(コアスートプリフォームを作製するため)ベイトロッド上にまたは(オーバークラッドスートプリフォームを作製するためガラスコアケーン上またはガラスロッド上に次いで熱泳動手段により収集される、石英ガラススート粒子及び／または石英ガラスとドーパントのスート粒子を形成するためにＣＨ４＋Ｏ２火炎内の加水分解過程により特定の(シリカ及びその他のドーパントの前駆体を含む)気相成分からの反応によって光ファイバを作製する一方法である。スートプリフォームは続いて(ベイトロッドがコアプリフォームから取り外された後)高温炉内で乾燥され、緻密化されて固体ガラスになる。このプロセスは一般に固結と称される。所望のコア及びクラッド層の組成は、スートプリフォーム作製プロセスにおいてそれぞれの層に対し、異なる量の様々な気相成分を用いることによって達成される。要約すれば、コアプリフォーム及び／またはクラッドプリフォームが初めに形成され、次いで固結され、最終(固結)プリフォームが既知のファイバ線引き法によって線引きされて、光ファイバになる。
【００５９】
さらに詳しくは、３層クラッド光ファイバのコアに関わるスートプリフォーム部分の作製に用いることができる気相前駆体材料は、例えば、ＳｉＣｌ４，ＧｅＣｌ４，ＡｌＣｌ３，ＴｉＣｌ４またはＰＯＣｌ３とすることができる。いくつかの実施形態において、コアプリフォームは純石英ガラスまたはＧｅＯ２がドープされた石英ガラスからなる。スートが固結されてプリフォームになった後、３層クラッド光ファイバの第１内層クラッド及び第２内層クラッドのスートプリフォームを形成するため、ＯＶＤプロセスが固結コアプリフォーム上にＳｉＯ２含有スートを堆積するために用いられる。第１内層クラッドには純シリカスートを用いることができ、または、第１内層クラッドの屈折率を低めることができる、ドーパントを含めることができる。第２内層クラッドには、第２内層クラッドの屈折率を高めることができる、ドーパントを含めることができる。そのようなドーパントはＳｉＯ２スートとともに堆積させることができる。例えば、第２内層クラッドがＧｅＯ２で上げドープされる場合、ＧｅＯ２をＳｉＯ２スートとともに堆積させることができる。第１内層クラッド及び第２内層クラッドのスートプリフォームがコアプリフォーム上に堆積された後、コアプリフォームを囲む緻密石英ガラス層を形成するため、内層クラッドのスートプリフォームを固結させることができる。いくつかの実施形態において、コアプリフォームはいかなる上げドーパントも含まない純石英ガラスからなる(第１内層クラッドはＳｉＯ２に対して下げドープされる)。
【００６０】
内層クラッドのスートプリフォームが堆積された後、外層クラッドのスートプリフォームをコアプリフォーム上に堆積させることができる。一実施形態において、上で論じたように、外層クラッドはフッ素及びＢ２Ｏ３の形態のホウ素で下げドープされた石英ガラスからなる。したがって、下げドープされた石英ガラス層を堆積させるため、ＳｉＯ２またはＢ２Ｏ３で下げドープされたＳｉＯ２を内層クラッドの固結スートプリフォーム上に堆積させて、外層クラッドのスートプリフォームを形成することができる。プリフォームのクラッド部分の屈折率を低めるため、Ｆ含有ガス、例えばＳｉＦ４を固結プロセスに用いることができる。上で論じたように、Ｂ及び／またはＦを含む固結ガラスは純シリカより低い屈折率を有する。
【００６１】
ホウ素／フッ素共ドーピングが用いられる場合、石英ガラスのホウ素／フッ素共ドーピングは、(ｉ)スート堆積中のホウ素ドーピング、続いて(ii)固結中のフッ素の焼結ドーピングの２段階によって達成することができる。
【００６２】
例えば、ホウ素ドープＳｉＯ２外層クラッドの堆積は、原材料として、ＧｅＣｌ３及びＳｉＣｌ４を用いるかまたはＢ含有有機金属前駆体及びＳｉ含有有機金属前駆体を用い、純シリカまたはＧｅＯ２ドープシリカのコアロッドを囲む純シリカまたはドープトシリカの内層クラッド上に行うことができる。堆積層へのホウ素の取込効率はＯＶＤバーナーの火炎温度が下がるにつれて高くなることに注意されたい。堆積工程中の好ましい温度範囲は、スートの１０重量％から１２重量％の目標酸化ホウ素含有量、及び以降の固結工程におけるＦ焼結ドーピングをより容易にするに適するスート密度(例えば、０.６ｇ/ｃｍ３未満、さらに好ましくは０.５ｇ/ｃｍ３未満、最も好ましくは０.４ｇ/ｃｍ３未満)に対して約１４００℃から１６００℃である。そのようなホウ素ドープスートでつくられたプリフォームは通常、低温加水分解過程及びスート組成物の高熱膨張係数のそれぞれにより、ＯＨ含有量が大きく、応力レベルが高い。スートプリフォームの亀裂発生をおこりにくくするため、固結におけるＦ焼結ドーピングの前にスートプリフォームに熱安定化工程が実施される。スートプリフォームは１００℃から５００℃で、例えば、約８時間、乾燥不活性雰囲気の下で３００℃の保持オーブン内において、熱安定化されることが好ましい。この点に関し、熱安定化は時間から２４時間(例えば、１０時間、１２時間、１６時間または１８時間)とすることができ、スートプリフォームが大寸になるほど熱安定化時間を長くなる。
【００６３】
本実施形態例にしたがうスートプリフォームは次いで、Ｆ化合物とともに、例えばＳｉＦ４またはＣＦ４とともに、炉内で固結される。本発明の一実施形態にしたがう、ホウ素含有スートプリフォームへのフッ素(Ｆ)の焼結ドーピングは、単域固結プロセスである。全固結プロセスは炉の、通常は標準固結炉の上部に配置される、低温乾燥帯領域で行われる。固結は、Ｂ/Ｆ共ドープシリカの(約８００℃ないしさらに低い)かなり低いガラス転移温度(Ｔｇ)により、比較的低温で行われる。本例の(１０重量％のＢがドープされた)シリカスートプリフォームは、初めに約８５０℃〜９００℃で４５〜６０分、Ｃｌ２乾燥される。次いで、ＳｉＦ４による９０〜１５０分の焼結／Ｆドーピングのため、乾燥帯温度が徐々に１２００℃まで上げられる。焼結及びＦドーピング中、固結ガラス内のホウ素組成は、スート相における１０重量％から完全固結ガラス相における４〜８重量％までのように、かなり低下する。そのような低下はフッ素の存在におけるホウ素のエッチアウトによっておこる。この結果、ガラス内のホウ素及びフッ素の濃度はそれぞれ、４〜８重量％及び１.５〜２.５重量％の範囲になり得る。固結プロセス後、固結プリフォームは冷却され、ファイバ線引きに供される。
【００６４】
別の実施形態において、３層クラッド光ファイバの外層クラッド１０６は、Ｂ及び／またはＦのドーパントを含む外層クラッドの代わりに、空孔含有外層クラッドを有することができる。空孔含有外層クラッド内の空孔は外層クラッドの屈折率を低めることができる。一実施形態において、空孔含有外層クラッドを作製するため、第２内層クラッドの固結スートプリフォーム上にＳｉＯ２スートを堆積させることができる。ＳｉＯ２スートは、固結ガラス内に固結ガスの一部を閉じ込め、よって、３層クラッド光ファイバがそれから線引きされる光ファイバプリフォームの外層クラッド領域内に独立空孔のアレイを形成するに有効な条件の下で、堆積され、固結される。例えば、外層クラッド１０６はガス雰囲気内で、空孔が閉じられるときにガス雰囲気の一部が空孔内に閉じ込められてしまう条件の下で、固結させることができる。ガス雰囲気は、窒素またはクリプトンのような、屈折率を低めるガスを含むことができる。しかし、例えば、窒素、アルゴン、二酸化炭素、酸素、ＣＦ４、塩素、ＣＯ、Ｃ２Ｆ６、ＳＯ２，Ｋｒ、Ｘｅ、Ｎｅ及びこれらの混合物のような、ただし空気は含まない、ガラスの屈折率を低めるその他の固結ガラスを用い得ることは当然であろう。いくつかの実施形態において、空孔含有外層クラッド１０６を形成するために用いられる方法は、２００８年５月５日に出願された、名称を「微細構造化光ファイバ及び方法(MICROSTRUCTURED OPTICAL FIBERS AND METHODS)」とする、米国特許出願第１２/１５１１７０号明細書に開示されている方法と同様とすることができるが、空孔含有外層クラッドを形成するための他の方法も用いることができる。
【００６５】
本明細書で上に論じたように、内層クラッドの開口数は数学的に計算することができる。しかし、いくつかの状況下では、内層クラッドの複合開口数を実験的に決定する必要があり得る。例えば、いくつかの状況において、２つの内層クラッドの内の１つの屈折率は精確に知ることができない。そのような状況下において、本明細書に説明される３層クラッド光ファイバの２つの内層クラッドの複合開口数は、アンピン・リュー(Anping Lu)及びケンイチ・ウエダ(Kenichi Ueda)による、名称を「矩形３層クラッドファイバにおけるポンプ光の伝搬損失(Propagation losses of pump light in rectangular triple-clad fibers)」とする論文(Optical Engineering，１９９６年１１月，第３５巻，第１１号，ｐ.３１３４)に説明される技法と同様の、角度測定技法を用いて測定することができる。同様の測定技法を実施するための実験装置が図４に簡略に示される。実験装置は一般に、光源４０６，可回転ステージ４０４及び光検出器４１２を備える。光源４０６は一般に、特定の中心波長を有する広帯域光源を含む。例えば、異なる中心波長を得るために異なる広帯域光源を選択することができる。３層クラッド光ファイバ及びこれを用いる内視鏡に対する代表的な動作波長に対応する中心波長を有する光源が特に重要である。したがって、広帯域光源は、８５０ｎｍ、１０６０ｎｍ、１３１０ｎｍまたは１５５０ｎｍの中心波長を有することができる。
【００６６】
内層クラッドの開口数を測定するため、３層クラッド光ファイバ４０２が、３層クラッド光ファイバ４０２の角方位が光源からの光に対して精密に制御され得るように、可回転ステージ４０４上で位置決めされる。光源４０６の出力は、結合ファイバ４１０及びコリメートレンズ４０８を用いて、３層クラッド試験ファイバ４０２の劈開された端に結合される。詳しくは、光源４０６の出力は３層クラッド試験ファイバ４０２の両内層クラッドに同時に結合される。３層クラッド試験ファイバ４０２の内層クラッドに結合される光は、コリメートレンズを通過した後は、実質的に平行光線になっている。３層クラッド試験ファイバ４０２の反対側の端は、３層クラッド試験ファイバ４０２を通る結合光のパワーが測定され得るように、光検出器４１２に結合される。
【００６７】
３層クラッド試験ファイバ４０２は、３層クラッド試験ファイバ４０２が光源４０６からの光に対して調節されるように、ある範囲の入力角θiにわたって回転される。３層クラッド試験ファイバ４０２が回転されるにつれて、３層クラッド試験ファイバ４０２の内層クラッドを通して結合された光のパワーが光源４０６からの光の入力角θiの関数として測定される。３層クラッド試験ファイバの内層クラッドの複合開口数は光源からの光の特定の波長に対して半角、例えば、
【数１０】
2013520712.tif 000012
【００６８】
を用いて計算することができる。この計算を実施するため、初めにθ１及びθ２を決定するための閾レベルが設定される。例えば、閾レベルは、３層クラッド試験ファイバ４０２の内層クラッドを通して結合された光のピークパワーの２.５％または５％に設定することができる。したがって、θ１及び／またはθ２は、３層クラッド試験ファイバの２つの内層クラッドを通して結合される光のパワーがファイバを通して結合されるピークパワーまたは最大パワーの２.５％(または５％)になるまで３層クラッド試験ファイバ４０２を回転させることによって決定することができる。θ１及びθ２は光源の出力に対する３層クラッド試験ファイバの角方位から決定される。特定の閾パワーレベルに対し、内層クラッドの開口数は数式
【数１１】
2013520712.tif 000013
【００６９】
を用いて計算することができる。内層クラッドの複合開口数ＮＡはいくつかの異なる波長に対して測定することができる。しかし、一般に、複合開口数は光ファイバを通して結合される光の波長に、若干でしかないが、依存する。図４に示される測定装置は、２つの内層クラッドの複合開口数を決定するために上の数式とともに用いることができる。
【実施例】
【００７０】
測定したファイバ実施例
表１に挙げられた３つのファイバ実施例(ファイバＡ，Ｂ及びＣ)の２つの内層クラッドの(外層クラッドに対する)複合開口数は、上述の技法を用いて実験的に決定した。表１の開口数は２つのクラッドの総合開口数である。３層クラッド光ファイバは本明細書に説明した外付け(ＯＶＤ)プロセスを用いて作製した。３つの３層クラッド光ファイバ(ファイバＡ，Ｂ及びＣ)の全てにおいて、コアは純石英ガラスで形成し、第１内層クラッド１０４は第１内層クラッドの屈折率を(純シリカに対して)低めるために１.２重量％のフッ素をドープした石英ガラスで形成した。第２内層クラッド１０５は純石英ガラスで形成した。すなわち、これらのファイバにおいては、ｎ０＝ｎ２及びｎ１＜ｎ２である。これらのファイバ実施形態例において、コアは希土類ドーパントを含んでおらず、ＡｌまたはＦを含んでいない。外層クラッド１０６は、外層クラッドの屈折率を内層クラッドに対して低めるため、２重量％のＦ及び５重量％のＢ２Ｏ３をドープした石英ガラスで形成した。表１には、３つの実施例ファイバそれぞれについて、コア半径(ｒ０)、第１内層クラッド半径(ｒ１)、第２内層クラッド半径(ｒ２)及び外層クラッド半径(ｒ３)を挙げてある。表１に示される３層クラッド光ファイバの内層クラッドの複合開口数の５％の強度閾における測定値は０.２９より大きかった。３つの３層クラッド光ファイバ実施例(すなわち、ファイバＡ，Ｂ及びＣ)について測定されたコアファイバカットオフ波長はそれぞれ、８００ｎｍ、８５０ｎｍ及び１０６０ｎｍより短波長であった。クラッド層に対するコアの相対屈折率％(Δ％)(例えばΔ１％)は０.３４％と決定した。
【表１】
2013520712.tif 000014
【００７１】
他の実施例
図１Ａ及び１Ｂに示される３層クラッド構造をもつ、モデル化された１０例のファイバは、コア１０２，第１内層クラッド１０４，第２内層クラッド１０５及び外層クラッド１０６を有する。これらのファイバ例において、コア１０２は純シリカまたは、ＧｅまたはＡｌのような屈折率上げドーパントがドープされた、シリカベースガラスである。第１内層クラッド１０４は屈折率ｎ１＜ｎ０を有し、純石英ガラスまたは、ＦまたはＢのような屈折率下げドーパントがドープされた、ガラスでつくられる。モデル化実施形態例における、第１内層クラッドに対するコアの代表的な相対屈折率Δ,Δ０は０.１〜２％の範囲にある。コア半径ｒ０は、例えば２〜５μｍの範囲にある。これらの実施形態において、第１内層クラッドの外半径ｒ１は、コア内を導波される光のトンネリング損失を小さくすることが有益であるため、コア半径ｒ０の５倍より大きい。これらの実施形態において、外層クラッドに対する第１内層クラッドの相対屈折率Δ,Δ１は０.５〜１.５％の範囲にある。第２内層クラッド１０５は屈折率ｎ２＞ｎ１を有する。これらの実施形態例において、第２内層クラッド１０５は純石英ガラスまたは、Ｇｅ，ＡｌまたはＴｉのような、屈折率上げドーパントがドープされたガラスでつくられる。これらの実施形態例において、外層クラッド１０６は屈折率ｎ３＜ｎ２を有する。表２Ａ及び２Ｂの初めの８つのファイバ実施例において、外層クラッド１０６は，ＢまたはＦのような屈折率下げドーパントのいずれかあるいはいずれもがドープされた、ガラスでつくられる。実施例９及び１０において、外層クラッドはガス充満空孔を有する。外層クラッドに対する第２内層クラッドの相対屈折率Δ,Δ２は０.２５より大きいＮＡに対応する１.５％より大きい。これらのファイバ実施形態例の代表的な総内層クラッド厚(第１内層クラッド厚＋第２内層クラッド厚)は２５〜５００μｍの間である。外層クラッド厚は１０〜５０μｍの間である。
【００７２】
表２Ａ及び２Ｂは３層クラッド光ファイバ例の組成及び対応する光学特性を示す。これらの光ファイバ例のそれぞれは、コア、第１内層クラッド、第２内層クラッド及び外層クラッドを有し、全てシリカベースガラスからなる。好ましくは、表２Ａ及び２Ｂのファイバ実施例１〜４及び６〜８に示されるように、ファイバコアはＡｌを含んでおらず、したがって表２Ａのファイバ例は１０６０ｎｍから１７００ｎｍの動作波長範囲において非常に低い散乱損失及び、１ｄＢ/ｋｍより小さい、低損失を示すことに注意されたい(コア内にＹｂ２Ｏ３が存在し、Ａｌ２Ｏ３及びＧｅＯ２も存在する、対照ファイバ例では、減衰が１１２０ｎｍ〜１７００ｎｍの波長範囲においては２０ｄＢ/ｋｍより大きく、１１００ｎｍより短波長においては１００ｄＢ/ｋｍより大きい)。いくつかの実施形態において、コアの波長分散の絶対値は約８００〜１６００ｎｍの動作波長に対して１２０ｐｓ/ｎｍ/ｋｍより小さい。いくつかの実施形態において、コアの波長分散の絶対値は約１３１０〜１５５０ｎｍの動作波長に対して約１８ｐｓ/ｎｍ/ｋｍより小さい。
【００７３】
コアΔ及びコア半径は、コアカットオフ波長、モードフィールド径及び分散を変えるために調節することができる。実施例１〜３はそれぞれ、０.３４，０.２６および０.２のコアΔ、及び、２.５０μｍ，２.８６μｍ及び３.３０μｍのコア半径ｒ０を有する。実施例１〜３の光ファイバは８００ｎｍの動作波長において単一モードである。ファイバ実施例１〜３のモードフィールド径(ＭＦＤ)はそれぞれ、５.５μｍ，６.３μｍ及び７.２μｍである。
【００７４】
実施例１において、ファイバコア１０２は純シリカである。第１内層クラッド１０４は１.２％のＦがドープされている。コア１０２の(第１内層クラッド１０４に対する)相対屈折率Δ,Δ０は０.３４％である。コア半径は２.５μｍであり、ファイバコアは７７９ｎｍにカットオフ波長を有する。ファイバコアは８００ｎｍの動作波長において単一モードである。第２内層クラッド１０５は純シリカである。すなわち、ｎ２＝ｎ０である。外層クラッド１０６は、屈折率を純シリカに対して低めるために、２％のＦ及び５％のＢ２Ｏ３がドープされている。外層クラッドに対し、第１内層クラッド１０４及び第２内層クラッド１０５はそれぞれ、１.７６％及び２.１％の相対屈折率Δを有し、これらはそれぞれ０.２７及び０.３のＮＡ値に対応する。ファイバは、実施例１の３層クラッド光ファイバが標準の１２５μｍ径光ファイバになるように、６２.５μｍの外層クラッド半径ｒ３を有する。
【００７５】
実施例２において、ファイバコア１０２は純シリカである。第１内層クラッド１０４は０.９４％のＦがドープされている。コア１０２の(第１内層クラッド１０４に対する)相対屈折率Δ,Δ０は０.２６％である。コア半径は２.８６μｍであり、ファイバコアは７８１ｎｍにカットオフ波長を有する。第２内層クラッド１０５は、屈折率を高めるため、ＧｅＯ２がドープされている。外層クラッド１０６は、屈折率を純シリカに対して低めるため、２.５％のＦがドープされている。このファイバ実施例において、第２内層クラッド１０５は３２.５％のＧｅＯ２がドープされ、Ｆドープ外層クラッドに対するＮＡが０.３４になっている。外層クラッドに対し、第１内層クラッド１０４及び第２内層クラッド１０５はそれぞれ、０.４４％及び２.７％の相対屈折率Δを有する。
【００７６】
実施例３において、ファイバコア１０２は純シリカである。第１内層クラッド１０４は０.７２％のＦがドープされている。コア１０２の(第１内層クラッド１０４に対する)相対屈折率Δ,Δ０は０.２％である。コア半径は３.３μｍである。第２内層クラッド１０５は、屈折率を高めるため、３２.５％のＧｅＯ２がドープされている。外層クラッド１０６は、屈折率を純シリカに対して低めるため、Ｆ及びＢ２Ｏ３が共ドープされている。外層クラッドに対し、第１内層クラッド１０４及び第２内層クラッド１０５はそれぞれ、１.９％及び４.１％の相対屈折率Δと０.２９及び０.４２のＮＡを有する。
【００７７】
実施例４において、コアは、屈折率を高めるため、５.５％のＧｅＯ２がドープされている。第２内層クラッド１０５は、屈折率を高めるため、Ａｌ２Ｏ３がドープされ、Ｆ／Ｂ２Ｏ３共ドープ外層クラッドに対する第２内層クラッドのＮＡが０.３６になっている。
【００７８】
実施例１〜４において、モードフィールド径は少なくとも５.５μｍである。いくつかの用途に対しては、より高いコアＮＡ及びより小さいＭＦＤが望ましいことであり得る。ファイバ実施例５においては、コアに７％のＡｌ２Ｏ３をドープすることによって、コアＮＡが０.１５％高められている。コア１０２のＭＦＤは、実施例１〜４のＭＦＤに対して４.５μｍまで小さくされている。
【００７９】
いくつかの用途に対しては６２.５μｍの標準ファイバ半径(外層クラッド半径)が望ましいが、いくつかの用途に対してはファイバ半径をより大きくして信号の取込効率をさらに高めることができる。実施例４〜５において、半径ｒ３はそれぞれ１２５μｍ及び２００μｍまで大きくされ、第２内層クラッド半径ｒ２はそれぞれ１１０μｍ及び１８０μｍである。
【００８０】
実施例１〜５において、動作波長は８００ｎｍである。他の動作波長も非線形光内視鏡用途に用いることができる。実施例６のファイバは１０６０ｎｍの動作波長に対して設計されている。コアは、カットオフ波長が、１０６０ｎｍにおいてファイバを単一モードにする、１０２１ｎｍになるように設計されている。本ファイバの一利点は、８００ｎｍにおける実施例１〜５のファイバよりも低い波長分散を１０６０ｎｍにおいて有することである。分散値は−１１６ｐｓ/ｎｍ/ｋｍから−３４.９ｐｓ/ｎｍ/ｋｍに低減される。
【００８１】
さらに低い分散が必要であれば、材料分散が低くなる、１３１０ｎｍの動作波長を用いることができる。実施例７はコアカットオフ波長が１２９５ｎｍの単一モードコアを有するファイバである。本ファイバ実施例のファイバ波長分散は１３１０ｎｍの動作波長においてほとんどゼロである。本ファイバを１５５０ｎｍで用いると、分散は正であり、値は約１７ｐｓ/ｎｍ/ｋｍである。
【００８２】
コアΔを変え、コア寸法を小さくすることにより、１３００ｎｍと１６００ｎｍの間の他のいずれの波長においてもゼロ分散を有する３層クラッド光ファイバ１００を設計できることに注意されたい。実施例８のファイバは、１.２％のコアΔ及び２.２８μｍのコア半径を有する。本ファイバは１５５０ｎｍにおいてほとんどゼロの分散を有する。
【表２Ａ】
2013520712.tif 000015
【表２Ｂ】
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【００８３】
本明細書で上に論じたように、内層クラッドの開口を大きくする一別法は、外層クラッド全体にわたる空孔分布を有する、空孔含有外層クラッドを形成することで外層クラッドの屈折率を低めることである。ファイバ９及び１０は空孔を含む外層クラッドを有する３層クラッド光ファイバの２つの構成例である。
【００８４】
ファイバ９は，外層クラッドの局所空孔面積が約２５％であるような、閉込ガスを含む小寸独立空孔の分布を有する、空孔含有外層クラッドを有する。これは外層クラッドの屈折率を低め、この結果、外層クラッドに対する第２内層クラッドの相対屈折率％(Δ２％)が１１.７％に高められ、第２内層クラッドの開口数が０.６８まで大きくなる。さらに、本ファイバは１３１０ｎｍの波長で動作するように設計されている(例えば、本ファイバのコアは、実施例７と同じ、４.０１の半径ｒ０を有する)。したがって、実施例９の３層クラッド光ファイバも動作波長においてほとんどゼロの分散を有する。
【００８５】
ファイバ１０においては、空孔含有外層クラッドが、外層クラッドの空気を含む局所空孔面積が９０％であるような、空気を含む大寸連続空孔の分布を有する。これは外層クラッドの屈折率を低め、この結果、外層クラッドに対する第２内層クラッドの相対屈折率％(Δ２％)が３０％に高められ、第２内層クラッドの開口数が１.０まで大きくなる。ファイバ９と同様に、ファイバ１０は、３層クラッド光ファイバが動作波長においてほとんどゼロの分散を有するように、１３１０ｎｍの波長で動作するように設計されている。
【００８６】
図５は非線形光内視鏡の略図を示す。短パルス(ポンプ)レーザが光学コンポーネントを用いて３層クラッドファイバのコアに結合される。ファイバコアは、良好なビーム品質を保証するため、ポンプ波長において単一モードであることが好ましい。レーザビームはファイバコアを通して標的に送られる。ビーム走査ユニットが標的の二次元領域にかけてレーザビームを走査する。レーザビームは２光子吸収過程により標的と相互作用し、生成された信号がファイバの両内層クラッドによって集められて光検出器に戻る。すなわち、ポンプ光はコア内を導波されて標的に送られ、標的との相互作用後の光信号は内層クラッドによって集光される。内層クラッドは、高い信号取込効率を可能にするため、大きな開口数及び大きな形状寸法を有することが好ましい。第２内層クラッドの大きなＮＡは検出器に戻る信号の高取込効率を与えるから有利である。信号は、画像を形成するため、コンピュータによって解析される。
【００８７】
図５は一例の非線形光内視鏡５００の略図である。本明細書に示され、説明される３層クラッド光ファイバの内層クラッドの比較的大きい開口数が、そのようなファイバをそのような非線形光内視鏡とともに用いるに、特に内視鏡が標的材料から画像またはスペクトルを生成するために２光子過程または多光子過程を用いる場合に、特に良く適するものとする。非線形光内視鏡５００は一般に、光源５０８，本明細書に説明されるような、コア、２つの内層クラッド及び外層クラッドを有する３層クラッド光ファイバ５０２，ビーム走査ユニット５１２及び光検出器５１４を備える。
【００８８】
３層クラッド構造におけるコアは純石英ガラスまたは最小ドーパントレベルでドープされたガラスで作製されることが好ましく、これにより線形及び非線形の蛍光が低減され、よって背景雑音が低減される。第２内層クラッドは大きな開口数を有し、これにより信号の高効率集光が可能になる。さらに、ファイバ構造はＯＶＤのような従来のファイバ作製プロセスに適合し、低コストでの作製が容易である。
【００８９】
光源５０８には短パルスレーザ源のようなレーザ源を含めることができる。光源５０８の出力は、光学コンポーネント５１０により、３層クラッド光ファイバ５０２の第１の末端において３層クラッド光ファイバ５０２のコアに結合させることができる。光学コンポーネントには、レンズ、コリメートレンズ、ミラー等を含めることができる。３層クラッド光ファイバは、本明細書でさらに論じられるように、３層クラッド光ファイバ５０２の両内層クラッドを光検出器５１４に光結合させる、光結合器５３５を通過することができる。３層クラッド光ファイバ５０２の第２の末端において、ビーム走査ユニット５１２を３層クラッド光ファイバ５０２に結合させることができる。
【００９０】
ビーム走査ユニット５１２は、光源５０８からの出力を標的５２２にかけて走査できるように、２方向で３層クラッド光ファイバ５０２の位置を定めるようにはたらくことができる。一実施形態において、ビーム走査ユニット５１２は、２方向で３層クラッド光ファイバ５０２の位置を定め、よって標的５２２にかけて光源５０８の出力の所望の走査パターンを達成する、圧電アクチュエータを備える。非線形光内視鏡５００は、３層クラッド光ファイバ５０２を出る光源からの出力がレンズを通過して標的５２２上に集束されるように、ビーム走査ユニット５１２に配された１つ以上のレンズ(図示せず)も備えることができる。同じレンズが３層クラッド光ファイバ５０２の第１内層クラッド及び第２内層クラッドに標的から放射される光を集束させるためにはたらくこともできる。一実施形態において、３層クラッド光ファイバ５０２を出る光源からの出力を集束させるためのレンズは、ビーム走査ユニット５１２と標的５２２の間に配置することができる。
【００９１】
光検出器５１４は、３層クラッド光ファイバの第１内層クラッド及び第２内層クラッドに沿って伝搬している光信号、特に標的から放射されて２つの内層クラッドに集光された光信号が光検出器によって受け取られるように、光結合器５３５を介して２つの内層クラッドに光結合させることができる。伝送ファイバ５３０が光結合器５３５を光検出器５１４に接続する。さらに詳しくは、光結合器は３層クラッド光ファイバ５０２の内層クラッド内を伝搬している光を、その光を光検出器に伝送する、伝送ファイバ５３０に結合させる。一実施形態において、光検出器は内層クラッドに沿って伝搬している光信号に応答し、対応する電気出力信号を生成して、光検出器から受け取った出力信号に基づいて画像を形成するか、さもなければ光検出器から受け取った出力信号を解析するようにプログラムされたコンピュータ５１６に送る。別の実施形態において、光検出器５１４は、内層クラッドに沿って伝搬している光信号から導かれる分光学的情報を表すことができる出力信号を生成する、分光計及び／または画像形成装置を備えることができる。いずれの実施形態においても、光検出器の出力は標的の特性を決定するため、例えば、標的から放射される光に基づいて標的の画像を形成するため、または蛍光過程の結果として標的から放射される様々な波長の強度を表すことができるスペクトログラムを生成するために、用いることができる。
【００９２】
動作において、非線形光内視鏡の光源５０８(例えばレーザ)が、光学コンポーネント５１０を用いて３層クラッド光ファイバ５０２のコアに結合される光パルスを発生する。光パルスは３層クラッド光ファイバ５０２に沿って伝搬され、ビーム走査ユニット５１２の近くで３層クラッド光ファイバの第２の末端を出る。ビーム走査ユニット５１２は、３層光ファイバ６０２を出る光パルスが標的５２２に沿って走査されるように、３層クラッド光ファイバの位置を定めるために用いることができる。光パルスが３層クラッド光ファイバを出て標的５２２に入射すると、標的は蛍光を発し、光信号５２０を放射することができる。標的５２２によって放射された光信号５２０は３層クラッド光ファイバ５０２に、特に３層クラッド光ファイバの２つの内層クラッドに、戻って集光される。第２内層クラッドの大きな開口数(たとえば、ＮＡ＞０.２５)により、３層クラッド光ファイバは大きな発散角にかけて光信号５２０を集光することができ、したがって、３層クラッド光ファイバの光信号集光効率を向上させることができる。
【００９３】
標的により放射された光信号５２０が２つの内層クラッドに集光された後、光信号は内層クラッド内を３層クラッド光ファイバ５０２に沿って伝搬して戻り、光結合器５３５によって転流され、伝送ファイバ５３０を介して光検出器５１４に向かう。光検出器５１４は光信号５２０を、さらに標的を分析及び／または画像化するために用いることができる、電気信号に変換する。
【００９４】
本明細書に示され、説明される３層クラッド光ファイバの様々な実施形態及び構成により、約０.２５より大きい開口数を有する３層クラッド光ファイバを得られることが今では理解されるはずである。さらに、本明細書に示され、説明されるいくつかの実施形態及び構成により、約０.２５より大きい開口数を有するだけでなく、低波長分散を有する、３層クラッド光ファイバを得ることができる。
【００９５】
本明細書に示され、説明される３層クラッド光ファイバの光学特性、特に３層クラッド光ファイバの内層クラッドの大きな開口数により、３層クラッド光ファイバの光学特性が光学内視鏡、特に標的の画像化及び／または分析を行うために２光子過程または多光子過程を利用する、非線形光内視鏡への組込みに十分適するものとなる。特に、本明細書に示され、説明されるような３層クラッド光ファイバの使用により、非線形光内視鏡の光信号集光効率が向上し、この結果、非線形光内視鏡によって生成される画像の品質が向上し、また非線形光内視鏡によって集光される光信号から導かれるデータの品質も向上し得る。本明細書に説明される光ファイバの少なくともいくつかの実施形態の利点の１つは、ファイバコアが比較的低い上げドーパントレベルを有することができる(あるいは、ファイバコアを純シリカでつくることができる)が、それでもファイバが内層クラッドにおいて高い集光効率を有するであろうということである。
【００９６】
本発明の精神及び範囲を逸脱することなく本発明に様々な改変及び変形がなされ得ることが当業者には明らかであろう。したがって、本発明の改変及び変形が添付される特許請求項及びそれらの等価形態の範囲内に入れば、本発明はそのような改変及び変形を包含するとされる。
【符号の説明】
【００９７】
１００，２００，３００，４０２，５０２    ３層クラッド光ファイバ
１０２    コア
１０４    第１内層クラッド
１０５    第２内層クラッド
１０６，２０６，３０６    外層クラッド
２０８    小寸空孔
３０８    大寸空孔
４０４    可回転ステージ
４０６    広帯域光源
４０８    コリメータレンズ
４１０    結合ファイバ
４１２，５１４    光検出器
５００    非線形光内視鏡
５０８    光源
５１０    光学コンポーネント
５１２    ビーム走査ユニット
５１４    光検出器
５１６    コンピュータ
５２０    光信号
５２２    標的
５３０    伝送ファイバ
５３５    光結合器
【図１Ａ】
2013520712.tif 000017
【図１Ｂ】
2013520712.tif 000018
【図２】
2013520712.tif 000019
【図３】
2013520712.tif 000020
【図４】
2013520712.tif 000021
【図５】
2013520712.tif 000022
【国際調査報告】
2013520712.tif 000023
2013520712.tif 000024
2013520712.tif 000025