(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１端部及び第２端部の間に配置された第１クロストーク部を有し、第１シングルモードコアと少なくとも１つのマルチモード内側クラッドと第１外側クラッドとを有する第１光ファイバであって、前記第１クロストーク部は第１エテンデュを有する、第１光ファイバと、
第３端部及び第４端部の間に配置された第２クロストーク部を有する第２光ファイバであって、前記第２クロストーク部は、前記第１エテンデュに対して１とは異なるエテンデュ比を構成する第２エテンデュを有する、第２光ファイバと、
前記第１クロストーク部が前記第２クロストーク部と光学的に結合される結合領域とを備え、
前記エテンデュ比は、前記第１シングルモードコアでシングルモード信号を維持している間における、前記第１光ファイバの少なくとも１つのマルチモード内側クラッドから、前記第２光ファイバの前記第３端部までの、マルチモード信号の５０％以上である取り出し効率を示し、
前記第１光ファイバの少なくとも１つのマルチモード内側クラッドが有する第１断面は、前記第２光ファイバが有する第２断面と異なっており、
前記少なくとも１つのマルチモード内側クラッドの内側の１つは、前記第１シングルモードコアの基本モードがシングルモード内側クラッドの基本モードに断熱的に変形され、且つ、前記シングルモード内側クラッドがシングルモードガイド領域に変形されるように、前記シングルモード内側クラッドを形成するためにテーパ化されている、光ファイバカプラ。
【請求項２】
前記マルチモード信号の取り出し効率は６０％以上である、請求項１に記載の光ファイバカプラ。
【請求項３】
前記マルチモード信号の取り出し効率は７０％以上である、請求項２に記載の光ファイバカプラ。
【請求項４】
前記エテンデュ比は１．５以上である、請求項１に記載の光ファイバカプラ。
【請求項５】
前記エテンデュ比は２以上である、請求項４に記載の光ファイバカプラ。
【請求項６】
前記エテンデュ比は１０以上である、請求項５に記載の光ファイバカプラ。
【請求項７】
前記クロストーク部は、その長さの一部のみに沿って互いに光学的に結合される、請求項１に記載の光ファイバカプラ。
【請求項８】
前記第１クロストーク部は、第１ダウンストリーム区間と第１直径一定区間と第１アップストリーム区間とを有し、
前記第２クロストーク部は、第２ダウンストリーム区間と第２直径一定区間と第２アップストリーム区間とを有し、
前記結合領域は、前記第１ダウンストリーム区間又は前記第１アップストリーム区間のいずれか一方、及び、前記第１クロストーク部の前記第１直径一定区間の一定区間を、前記第２アップストリーム区間又は前記第２ダウンストリーム区間のうちの対応する一つ、及び、第２クロストーク部の対応する部分に光学的に結合する、請求項７に記載の光ファイバカプラ。
【請求項９】
前記第１光ファイバの前記少なくとも１つのマルチモード内側クラッドの第１開口数は、前記第２光ファイバの第２開口数とは異なる、請求項１に記載の光ファイバカプラ。
【請求項１０】
前記第１光ファイバの前記第１クロストーク部の少なくとも一部は、前記第２光ファイバに結合される前に予めテーパ化される、請求項１に記載の光ファイバカプラ。
【請求項１１】
前記第１外側クラッドは、前記第２光ファイバに結合される前に少なくとも前記第１クロストーク部に沿って除去される、請求項１に記載の光ファイバカプラ。
【請求項１２】
前記第２光ファイバは、マルチモード光ファイバ、シングルモード光ファイバ、ダブルクラッド光ファイバ、マルチクラッド光ファイバ、及びコアレス光ファイバのうちの１つである、請求項１に記載の光ファイバカプラ。
【請求項１３】
光干渉断層法システム及びマルチモード検出システムのうちいずれか一方において使用される、請求項１に記載の光ファイバカプラ。
【請求項１４】
前記エテンデュ比が１以上であり、前記第１光ファイバの前記少なくとも１つのマルチモード内側クラッドにおける前記マルチモード信号が前記第２光ファイバへ伝送される、請求項１乃至１３いずれか一項に記載の光ファイバカプラ。
【請求項１５】
第１端部と、第２端部と、前記第１端部及び前記第２端部の間にある第１中間部と、第１断面とを有し、シングルガイドモードをサポートする第１コアと、マルチモードをガイドする前記第１コアよりも大きい第１内側クラッドとを有する第１光ファイバと、
第３端部と、第４端部と、前記第３端部及び前記第４端部の間にある第２中間部とを有し、構造及び寸法の少なくとも一方について前記第１断面とは異なる第２断面を有し、前記第２断面の寸法は前記第１断面の寸法とは異なる第２光ファイバと、
前記第１端部から前記第２端部までの前記第１光ファイバの前記第１コアにシングルモード信号がとどまるように、及び、前記第１光ファイバの前記第１内側クラッドにおいて５０％以上のマルチモード信号が前記第２光ファイバに引き出されるように、前記第２中間部に融着された前記第１中間部からなる融着領域と
を備え、
前記第１光ファイバは、予めテーパ化されているダブルクラッドファイバであり、
前記第１コアの基本モードは、前記第１光ファイバを予めテーパ化することによって縮小された第１内側クラッドの基本モードに断熱的に変形され、
前記縮小された第１内側クラッドは、シングルモードガイド領域に変形される
光ファイバカプラ。
【請求項１６】
前記第２断面の寸法は前記第１断面の寸法より大きい、請求項１５に記載の光ファイバカプラ。
【請求項１７】
前記マルチモード信号の６０％以上は、前記第１光ファイバから前記第２光ファイバに引き出される、請求項１６に記載の光ファイバカプラ。
【請求項１８】
前記マルチモード信号の７０％以上は、前記第１光ファイバから前記第２光ファイバに引き出される、請求項１７に記載の光ファイバカプラ。
【請求項１９】
前記融着領域は、前記第１及び第２光ファイバの細くなるテーパ部又は太くなるテーパ部の一方に限定される、請求項１５に記載の光ファイバカプラ。
【請求項２０】
前記第１光ファイバの前記第１中間部の外側クラッドは前記第１光ファイバ及び前記第２光ファイバを共に融着する処理の前に除去される、請求項１５に記載の光ファイバカプラ。
【請求項２１】
第１端部と第２端部と前記第１端部及び前記第２端部の間にある第１クロストーク部とを有し、第１コアと少なくとも１つの内側クラッドと第１外側クラッドとを有する第１光ファイバであって、前記第１クロストーク部は第１エテンデュを有する第１光ファイバを供給するステップと、
第３端部と第４端部と前記第３端部及び前記第４端部の間にある第２クロストーク部とを有する第２光ファイバであって、前記第２クロストーク部は前記第１エテンデュと異なる第２エテンデュを有する、第２光ファイバを供給するステップと、
少なくとも前記第１クロストーク部をテーパ化するステップと、
前記第１光ファイバの前記第１クロストーク部の少なくとも一定区間を、前記第２光ファイバの前記第２クロストーク部の一定区間に沿って接触するように配置するステップと、
前記第１及び第２クロストーク部の一定区間ともに融着領域を形成するように熱を供給するステップとを含み、
前記融着領域は、シングルモード信号が前記第１光ファイバの前記第１及び第２端部の間の前記第１コアにとどまるようにし、且つ、前記第１光ファイバの少なくとも１つの内側クラッドのうちの１つにおける半分以上のマルチモード信号が前記第２光ファイバへ引き出されるようにする光カプラの製造方法。
【請求項２２】
前記第２光ファイバを供給するステップは、さらに、
前記配置するステップと前記第１及び第２光ファイバを供給するステップとの前に、少なくとも前記第２クロストーク部をテーパ化するステップを含む、請求項２１に記載の光カプラの製造方法。
【請求項２３】
前記第１光ファイバを供給するステップは、さらに、
前記配置するステップと前記第１及び第２光ファイバを供給するステップとの前に、前記第１クロストーク部の一部に少なくとも沿って前記第１外側クラッドを化学的にエッチングするステップを含む、請求項２１に記載の光カプラの製造方法。
【請求項２４】
前記第２光ファイバを供給するステップは、さらに、
前記配置するステップと前記第１及び第２光ファイバを供給するステップとの前に、前記第２クロストーク部の一部に少なくとも沿って前記第２光ファイバの外側クラッドを化学的にエッチングするステップを含む、請求項２１に記載の光カプラの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【関連する出願との相互参照】
【０００１】
本出願は、２０１３年２月１日に出願された米国仮出願第６１／７５９，４８２号からの優先権を主張する。この出願明細書の全体を、参照により本明細書に援用する。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、光カプラ、特に、内視鏡、光干渉断層法、共焦点顕微鏡及び共焦点内視顕微鏡用のカプラの分野に関する。
【背景技術】
【０００３】
光ファイバカプラは、多くの種類の画像処理及び検知システムにおいて、１以上の入力ファイバ及び１又は複数の出力ファイバとともに用いられる。このようなカプラは、異なる方法、例えば、ファイバを熱で融着してファイバのコアが密着するようにする方法で作成されうる。多くの医療用画像処理システムにおいて、照明はレーザ光源によりカプラの第１ポートで供給され、スキャン装置によりカプラの第２ポートで出力信号のサンプリングが行われ、カプラの第１ポート及び第３ポートの双方で検知が行われる。アプリケーションに応じて様々なタイプの検知が可能である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
光ファイバカプラに基づく医療用画像処理システムは、典型的には２つの大きな課題、１）レーザとシングルモードファイバとを用いる場合に時間的かつ空間的な干渉イメージングに関連する問題であるスペックル、及び、２）第２ポートから第３ポートに引き出され、第３ポートから第２ポートに入射されうるマルチモード信号の量についての理論上の等分配限界、に直面している。
【０００５】
したがってこれらの課題を克服しうる光ファイバカプラの開発が必要であり、特に、医療用画像処理及び検知アプリケーション向けの改良型光ファイバカプラを開発する必要がある。
【０００６】
先行技術に係る光カプラは、第１及び第２のファイバが同一寸法及び同一構造により特徴づけられている場合、理論上の等分配限界によってマルチモード透過率が５０％に限定されていることが知られている（米国特許出願公開２０１２／０１９０９２８号参照、この出願明細書の全体を、参照により本明細書に援用する）。このような光カプラのマルチモード透過率の最高値は４３％であるとされていた。理論上の等分配限界の５０％に近づいているが、４３％を超えて５０％に近づくことには課題があるとされていた。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
先行技術に係る光ファイバカプラの理論上の等分配限界とは異なり、且つこれに限定されない理論限界を有する非対称光カプラがここには記載される。したがって、マルチモード透過率が５０％以上を達成することも可能である。
【０００８】
光ファイバカプラの非対称性は、Ｇ３／Ｇ１で定義されるエテンデュ比によってその値が示される。Ｇｉは、次の式により与えられる。
【０００９】
【数１】
0006388603.tif 000002
【００１０】
Ｇｉは光ファイバｉのエテンデュであり、Ｓｉは光ファイバｉのクロストーク部の断面積であり、ＮＡｉはクロストーク部での光ファイバｉの開口数である。エテンデュ比を増すことで、マルチモード透過率はなんの欠陥も現れずに１００％に向けて増加することが分かった。したがって、エテンデュ比を増やすように第１及び第２の光ファイバを設計することにより、５０％以上のマルチモード透過率が達成されうる。
【００１１】
一側面によれば、シングルモード信号をガイドするシングルモードコアと、マルチモード（マルチモード信号ともいう）をガイドする少なくとも１つのマルチモード内側クラッドとを有するマルチクラッド光ファイバが提供される。マルチクラッドファイバは、マルチクラッドファイバと第２ファイバとの間で双方向に光伝送機能を強化した光ファイバカプラを生成するように、異なるエテンデュを有する第２ファイバと結合領域に沿って光学的に結合される。異なるエテンデュは、異なる断面積及び異なる開口数のうち少なくとも１つにより与えられうる。
【００１２】
他の一側面によれば、マルチモード透過率が５０％以上、好ましくは６０％以上、より好ましくは７０％以上を達成しうる光ファイバカプラが提供される。
【００１３】
他の一側面によれば、エテンデュ比が１．５以上、好ましくは２以上、より最も好ましくは１０以上であることによって特徴づけられうる光ファイバカプラが提供される。
【００１４】
他の一側面によれば、第１端部及び第２端部の間に配置された第１クロストーク部を有し、第１シングルモードコアと少なくとも１つのマルチモード内側クラッドと第１外側クラッドとを有する第１光ファイバであって、前記第１クロストーク部は第１エテンデュを有する、第１光ファイバと、第３端部及び第４端部の間に配置された第２クロストーク部を有する第２光ファイバであって、前記第２クロストーク部は前記第１エテンデュに対して１とは異なるエテンデュ比を構成する第２エテンデュを有する、第２光ファイバと、前記第１クロストーク部が前記第２クロストーク部と光学的に結合される結合領域とを備え、前記エテンデュ比は、前記第１シングルモードコアでシングルモード信号を維持している間における、前記第１光ファイバの少なくとも１つのマルチモード内側クラッドから、前記第２光ファイバの前記第３端部までの、マルチモード信号の５０％以上である取り出し効率を示し、前記第１光ファイバの少なくとも１つのマルチモード内側クラッドが有する第１断面は、前記第２光ファイバが有する第２断面と異なっており、前記少なくとも１つのマルチモード内側クラッドの内側の１つは、前記第１シングルモードコアの基本モードがシングルモード内側クラッドの基本モードに断熱的に変形され、且つ、前記シングルモード内側クラッドがシングルモードガイド領域に変形されるように、前記シングルモード内側クラッドを形成するためにテーパ化されている、光ファイバカプラが提供される。
【００１５】
他の一側面によれば、第１端部と、第２端部と、前記第１端部及び前記第２端部の間にある第１中間部と、第１断面とを有し、シングルガイドモードをサポートする第１コアと、マルチモードをガイドする前記第１コアよりも大きい第１内側クラッドとを有する第１ファイバと、第３端部と、第４端部と、前記第３端部及び前記第４端部の間にある第２中間部とを有し、構造及び寸法の少なくとも一方について前記第１断面とは異なる第２断面を有し、前記第２断面の寸法は前記第１断面の寸法とは異なる第２ファイバと、前記第１端部から前記第２端部までの前記第１光ファイバの前記第１コアにシングルモード信号がとどまるように、及び、前記第１光ファイバの前記第１内側クラッドにおいて５０％以上のマルチモード信号が前記第２ファイバに引き出されるように、前記第２中間部に融着された前記第１中間部からなる融着領域とを備え、前記第１光ファイバは、予めテーパ化されているダブルクラッドファイバであり、前記第１コアの基本モードは、前記第１光ファイバを予めテーパ化することによって縮小された第１内側クラッドの基本モードに断熱的に変形され、前記縮小された第１内側クラッドは、シングルモードガイド領域に変形される光ファイバカプラが提供される。
【００１６】
他の一側面によれば、第１端部と、第２端部と、前記第１端部及び前記第２端部の間にある第１クロストーク部とを有し、第１コアと、少なくとも１つの内側クラッドと、第１外側クラッドとを有する第１光ファイバであって、前記第１クロストーク部は第１エテンデュを有する、第１光ファイバを供給するステップと、第３端部と、第４端部と、前記第３端部及び前記第４端部の間にある第２クロストーク部とを有する第２光ファイバであって、前記第２クロストーク部は前記第１エテンデュと異なる第２エテンデュを有する、第２光ファイバを供給するステップと、少なくとも前記第１クロストーク部をテーパ化するステップと、前記第１光ファイバの前記第１クロストーク部の少なくとも一定区間を、前記第２光ファイバの前記第２クロストーク部の一定区間に沿って接触するように配置するステップと、前記第１及び第２クロストーク部の双方の一定区間に融着領域を形成するように熱を供給するステップとを含み、前記融着領域は、シングルモード信号が前記第１光ファイバの前記第１及び前記第２端部の間の前記第１コアにとどまるようにし、且つ、前記第１光ファイバの少なくとも１つの内側クラッドのうちの１つにおける半分以上のマルチモード信号が前記第２光ファイバへ引き出されるようにする、光カプラの製造方法が提供される。
【００１７】
他の一側面によれば、以下、より詳細に記載されるように、干渉検出器、内視鏡、マルチモード内視鏡、共焦点内視顕微鏡、共焦点顕微鏡、非線形顕微鏡、非線形内視顕微鏡、光干渉断層法、及び他の応用に用いられうる光カプラが提供される。
【００１８】
一実施形態において、融着領域は、第１ポートから第２ポートまで、及び、逆もまた同様に、シングルモードコアに沿って、シングルモード信号をほとんど損失なく透過させる。より具体的には、８５％以上、好ましくは９０％以上、最も好ましくは９５％以上の単一モード透過率を達成しうる光ファイバカプラが提供される。
【００１９】
他の一実施形態において、マルチモード信号の７０％以上は、光カプラの第２ポートから第３ポートへ取り出されうる。より具体的には、マルチモード信号の５０％以上は、マルチクラッドファイバの少なくとも１つの内側クラッドから第２ファイバへ取り出されうる。いくつかの他の実施形態において、第２ポートから第３ポートへのマルチモード信号の取り出し効率は、約６０％から約７０％の間に含まれる。いくつかの実施形態において、マルチモードの取り出し効率は５０％以上である。
【００２０】
他の一側面によれば、レーザ切除、熱療法及び／又は熱凝固に基づく治療システムで用いられうる光カプラが提供される。この場合、光ファイバカプラは、マルチクラッドファイバのシングルモードコアを通じたイメージングレーザの放射、及び、ファイバカプラの第３ポートを通じたマルチクラッドファイバの少なくとも１つの内側クラッドにおける治療用レーザの放射に用いられる。
【００２１】
他の一実施形態において、マルチモード信号の５０％以上は、光カプラの第３ポートから第２ポートへ入射されうる。より具体的には、マルチモード信号の５０％以上は、第２ファイバからマルチクラッドファイバの少なくとも１つの内側クラッドへ入射されうる。
【００２２】
本改良に係るさらに多くの特徴とこれらの結合が、本開示の解釈に従う当業者には見えるであろう。
【００２３】
本発明に係るさらなる特徴や効果は以下の詳細な説明と添付されている図面との結合から明白になるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、第１光ファイバから第２光ファイバへのマルチモード信号の透過率の例をエテンデュ比の関数として示すグラフである。
【図２】図２は、光ファイバカプラの一般的な実施形態を示す。
【図３】図３は、異なる寸法の第１及び第２ダブルクラッドファイバを有する光ファイバカプラの実施形態を示す。
【図４】図４は、化学的にエッチングされた第１ダブルクラッドファイバを有する光ファイバカプラの実施形態を示す。
【図５】図５は、内側のシングルモードクラッドを得るために変形された第１光ファイバを有する光ファイバカプラの実施形態を示す。
【図６】図６は、結合領域のダウンストリーム区間とアップストリーム区間との間に、非対称性を示す第１ダブルクラッドファイバと第２コアレスファイバとを有する光ファイバカプラの実施形態を示す。
【図７】図７は、第１ダブルクラッドファイバと第２マルチモードファイバとを有する光ファイバカプラの実施形態を示す。
【図８】図８は、第１ダブルクラッドファイバと第２シングルモードファイバとを有する光ファイバカプラの実施形態を示す。
【図９】図９は、化学的にエッチングされた第１ダブルクラッドファイバと予めテーパ化された第２マルチモードファイバとを有し、第１及び第２ファイバが結合領域のダウンストリーム区間においてのみ融着されている光ファイバカプラの実施形態を示す。
【図１０】図１０は、予めテーパ化された第２マルチモードファイバを有する光ファイバカプラの実施形態を示す。
【図１１】図１１は、化学的にエッチングされた第１ダブルクラッドファイバと予めテーパ化された第２マルチモードファイバとを有する光ファイバカプラの実施形態を示す。
【図１２】図１２は、第１シングルモードコアと第１内側クラッドと第１外側クラッドとを有する第１光ファイバと、第２マルチモードファイバとを有する光ファイバカプラの実施形態を示す。
【図１３】図１３は、非対称光ファイバカプラを用いてシングルファイバ内視鏡の例示的な装置を示す。
【図１４】図１４は、非対称光ファイバカプラを用いて共焦点内視顕微鏡／共焦点顕微鏡の例示的な装置を示す。
【図１５】図１５は、非対称光ファイバカプラを用いて光干渉断層法と蛍光（又はラマン光）の検出とを結合した例示的な装置を示す。
【図１６】図１６は、非対称光ファイバカプラを用いて画像ガイド治療システムの例示的な装置を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
添付の図面を通して、同様の特徴は同様の参照数値によって特定される。
【００２６】
図１は、第１光ファイバから第２光ファイバへのマルチモード信号の透過率の例を、従来技術の光カプラ１００も含めて、エテンデュ比の関数として示すグラフである。非対称光ファイバカプラの新しい理論モデルは、図１の実線で表されている。より具体的には、図１は、非対称光カプラ３００、４００、５００、及び６００のマルチモード透過率がそれぞれ、５３％、７５％、８０％、及び９１％であることを、非対称性又はエテンデュ比の関数として示している。これら各非対称光ファイバカプラは、図３、４、５、及び６でそれぞれ説明される。さらに、非対称カプラの他の可能な構成が図２から図１２に提示される。
【００２７】
図２は、非対称な形状及び光伝達関数を有する光ファイバカプラ２００の概要図である。第１光ファイバ２０２は、第２光ファイバ２０４と結合領域２０６（又は融着領域）で融着される。ファイバは、熱源として例えばマイクロトーチを用いて、高温にて並んで融着されうる。結合領域２０６は、そのときに引っ張られてテーパ状に細くされるので、その断面は小さくなり、一方のファイバから他方のファイバへの光のカップリングを引き起こす。第１光ファイバ２０２は、第１端部２１０と第２端部２１２との間に第１クロストーク部２０８を有する。第１光ファイバ２０２は、第１シングルモードコア２１４、第１マルチモード内側クラッド２１６、及び第１外側クラッド２１８も有する。第２光ファイバ２０４は、第３端部２２２と第４端部２２４との間に第２クロストーク部２２０を有する。
【００２８】
マルチモード透過率の向上は、第１光ファイバ２０２の第１クロストーク部２０８と第２光ファイバ２０４の第２クロストーク部２２０との間のエテンデュの違いによりもたらされうる（且つ、クロストーク部をそれらの長さの一部にのみ沿って互いに光学的にカップリングすることによっても、マルチモード透過率を増加及び増大させうる。図６参照）。同様にこれは、第１光ファイバ２０２の第１シングルモードコア２１４においてシングルモード信号を維持することにより、及び、第１光ファイバ２０２の少なくとも１つの内側クラッド２１６から第２光ファイバ２０４へマルチモード信号の少なくとも一部を伝送することにより、非対称の光伝達関数を提供する。図２において、第１光ファイバはダブルクラッドファイバ（ＤＣＦ）として示されるが、第１光ファイバは、例えば３つの内側クラッドファイバであってもよく、あるいは４つの内側クラッドファイバであってもよく、これらのようなマルチクラッドファイバの他の一形態をとりうる（図１２参照）。
【００２９】
結合領域２０６は、第２光ファイバ２０４の第２クロストーク部２２０に融着される第１光ファイバ２０２の第１クロストーク部２０８からなる。結合領域２０６において、ファイバのシングルモードコアは分離したままである。第１クロストーク部２０８は、第１ダウンストリーム区間２２６（又は第１直径遷移区間）、第１直径一定区間２２８、及び第１アップストリーム区間２３０（又は第２直径遷移区間）を有する。第２クロストーク部２２０は、第２ダウンストリーム区間２３２、第２直径一定区間２３４、及び第２アップストリーム区間２３６を有する。第１及び第２ダウンストリーム区間２２６、２３２は、結合領域２０６の細くなるテーパ部であり、第１及び第２アップストリーム区間２３０、２３６は、結合領域２０６の太くなるテーパ部である。結合領域２０６は、既定のテーパ比率を有する。既定のテーパ比率は、約０．１から約０．６の間の様々な値となってもよい。
【００３０】
図３は、第１光ファイバ３０２がダブルクラッドファイバであり、これもダブルクラッドファイバである第２光ファイバ３０４と融着されている光カプラ３００の実施形態を示す。第２ダブルクラッドファイバは、シングルガイドモードをサポートする第２シングルモードコア３３８、及び、第２外側クラッド３４２に囲まれ、マルチモード信号をガイドする第２マルチモード内側クラッド３４０を含む。第１ダブルクラッドファイバ３０２及び第２ダブルクラッドファイバ３０４は、同一であってもよいし、寸法についてわずかな違いを有してもよい。もしそうであれば、第１ダブルクラッドファイバ３０２はその寸法が小さくなるようにテーパ化され、一方で第２ダブルクラッドファイバ３０４はそうではない。このようにすることによって、形状の非対称性又はエテンデュの差異（１より大きい又は１未満のエテンデュ比につながりうる）が生まれる。第１ダブルクラッドファイバ３０２は、約２の比率で予めテーパ化されてよく、そのとき新品のダブルクラッドファイバ３０４に融着されてもよい。構造体はさらにテーパ化されてもよい。できあがったカプラはエテンデュの差異を有し、内側クラッド３１６及び３４０の異なる直径によりマルチモード部のカップリング性を表してもよい。代わりに、第１ダブルクラッドファイバ及び第２ダブルクラッドファイバは、新品の状態でサイズが異なってもよい。
【００３１】
（例１）
【００３２】
図３を参照して、上述されるような一般的な構造を有し、第１及び第２光ファイバがエテンデュ比１．５で特徴づけられる光ファイバカプラ３００の例では、マルチモード透過率が５３％に達する。
【００３３】
非対称性は、様々な技術を用いてもたらされてもよい。例えば、ファイバのクロストーク部は、寸法及び／又は構造において初期構成と異なってよい。代替的に、又はこれらの組合せで、２本のファイバの少なくとも１本が、製造後且つ融着前に変形を起こしてもよい。ファイバの初期の直径を小さくするように予めテーパ化して変形させてもよい。また、１本又は両方のファイバの外側材料が除去される化学的エッチングを用いて変形を起こしてもよい。図４は、外側クラッド４１８の一部が少なくとも結合領域４０６に沿って化学的にエッチングされ、第２コアレスファイバ４０４に融着されているダブルクラッドファイバ４０２を有する光カプラ４００を示す例示的実施形態である。この例において、化学的エッチングは、ファイバの一部を２０％フッ酸溶液に入れることにより行われる。外側クラッドの一部を除去するために、他の酸も用いられてよい。外側クラッドの一部を除去するためには、プラズマエッチングや研磨のような他の処理も用いられてよい。
【００３４】
（例２）
【００３５】
図４を参照して、上述されたような一般的構成を有し、第１光ファイバがＮｕｆｅｒｎ社の９μｍ（０．１２ＮＡ）／１０５μｍ（０．２０ＮＡ）／１２５μｍの寸法を有するＤＣＦであり、第２光ファイバが２００μｍ（０．２２ＮＡ）の寸法を有するコアレスファイバであり、且つ、エテンデュ比３．６で特徴づけられる光ファイバカプラ４００の例では、マルチモード透過率が７５％に達する。
【００３６】
図５は、第１シングルモード内側クラッドを有する第１光ファイバ５０２に融着される、第２コアレスファイバ５０４を有する光カプラ５００を示す例示的実施形態である。さらに、ＤＣＦのシングルモードコアの基本モードが断熱的に、したがって損失なく、縮小した内側クラッドの基本モードに変形されるようにテーパ化されている。つまり、内側クラッドの１つは、シングルモードコアに沿って伝播するシングルモード信号を第１光ファイバのシングルモード内側クラッドに沿って本質的に損失なく（又は断熱的に）伝播させることができるシングルモード内側クラッドを形成するためにテーパ化されている。内側クラッドは、直径が縮小したためにそれ自身がシングルモードガイド領域となる。テーパ化されたＤＣＦは、他の１本のファイバに融着される。例えば、９／５０／１２５のダブルクラッドファイバは約５の比率で予めテーパ化される。そして、テーパ化され断熱的に変形された第１ダブルクラッドファイバ５０２は、マルチモードファイバに融着される。マルチモードファイバは、標準サイズであってもよいし、大きいサイズであってもよく、ダブルクラッドファイバは、様々な範囲の直径を有してよく、異なる比率で予めテーパ化されていてもよい。このような光ファイバカプラはエテンデュ比１００でマルチモード透過率８０％を達成しうることが示される。
【００３７】
（例３）
【００３８】
図５を参照して、上述されたような一般的構成を有し、第１光ファイバが４．１μｍ（０．１１ＮＡ）／２５．８μｍ（０．１９ＮＡ）／１２５μｍの寸法を有するＤＣＦであり、第２光ファイバが１２５μｍ（０．５ＮＡ）の寸法を有するコアレスファイバであり、且つ、ＤＣＦファイバがエテンデュ比１００で特徴づけられるＩＴＲ０．１でテーパ化されている光ファイバカプラ５００の例では、マルチモード透過率が８０％に達する。
【００３９】
ここで図６には、第１光ファイバ６０２がダブルクラッドファイバであり、第２光ファイバ６０４がコアレスファイバである光カプラ６００の実施形態が示されている。この実施形態において、第１ダブルクラッドファイバ６０２は、コアレスファイバ６０４に融着される前にテーパ化され、断熱的に変形される。両ファイバにおいて、マルチモードはガラスと空気の界面でトラップされる。融着された構造体は、マルチモードとガイド領域に比例する光強度分布とのミキシングを完了させる。
【００４０】
いくつかの実施形態において、ダブルクラッドファイバ６０２のダウンテーパ６２６、６３２がコアレスファイバ６０４に融着され、アップテーパ６３０、６３６が融着されないように、構造体が作製されうる。これは、図６にコアレスファイバと組み合わせて示されているが、本明細書に示されている他のいかなる第１光ファイバ／第２光ファイバの構成が備えられてもよい。このことは、結合領域６０６における中心に位置付けられる横軸Ｙについての非対称性をもたらすが、結合領域６０６の内側の種々の位置にアップストリーム及びダウンストリームを備えることもできる。このように結合領域は、融着部と非融着部とを含む。この特徴は、ダブルクラッドファイバのクラッドへのバックカップリングを最小化する。
【００４１】
例示的な一実施形態において、ダブルクラッドファイバは、９／５０／１２５の寸法を有して約５の比率でテーパ化されており、コアレスファイバは、−／−／１２５の寸法を有するコアレスファイバである。面積比２５である場合、その構造体はマルチモードカップリング比を４／９６％とし、大部分がダブルクラッドファイバの外に取り出される。−／−／１２５のコアレスファイバは、結合領域の外側でファイバを越えて存在するポリマージャケットにより引き起こされる損失を避けるために、−／２００／２００のマルチモードファイバの終端に対して終端融着されてもよい。ダブルクラッドファイバの他の例示的な寸法は４．５／１０５／１２５や４．５／３０／１２５である。
【００４２】
このように、本明細書に記載される非対称光ファイバカプラは、コアレスファイバ、シングルモードファイバ、マルチモードファイバ、及びダブルクラッドファイバのいかなるものとも組み合わせたダブルクラッドファイバからなるようにしてよい。ダブルクラッドファイバと他のダブルクラッドファイバとを組み合わせた場合、ファイバそれぞれの断面を寸法について異ならせることにより非対称性が生まれる。他の全ての場合において、共に融着される異なるタイプのファイバについての視点から、ファイバの断面は構造についてそれぞれ異なる。これらの構成は、構造に加えて寸法についても異なる断面を有してもよい。図６及び図９に示されるように、光ファイバカプラは二重の非対称性を有してもよい。
【００４３】
（例４）
【００４４】
図６を参照して、上述されたような一般的構成を有し、第１光ファイバが９μｍ（０．１２ＮＡ）／１０５μｍ（０．１９ＮＡ）／１２５μｍの寸法を有するＤＣＦであり、第２光ファイバが２５０μｍ（０．５ＮＡ）の寸法を有するコアレスファイバであり、且つ、ＤＣＦファイバがエテンデュ比１５６で特徴づけられるＩＴＲ０．５でテーパ化されている光ファイバカプラ６００の例では、マルチモード透過率が９１％に達する。
【００４５】
シングルモード信号をガイドするシングルモードコア７１４を有する第１光ファイバ７０２を有する光カプラ７００を示す参照例が図７に示される。外側クラッド７１８に囲まれた、より大きい内側クラッド７１６がマルチモードをガイドする。ダブルクラッドファイバは、非対称カプラを生成するために異なる光ファイバと融着されてもよい。ダブルクラッドファイバ向けのいくつかの例示的な材料は、シリカ（純シリカ又はドーピングされたシリカ）のような、様々なポリマー及びガラスタイプのものである。
【００４６】
いくつかの実施形態において、第２光ファイバ７０４は、マルチモードファイバである。より大きいコア７４４がマルチモード信号をサポートし、クラッドにより囲まれている。マルチモードファイバは、ステップインデックス特性又はグレーデッドインデックス特性を有してもよい。融着後に構造体を引き延ばして、約２〜３の間に含まれる比率で元の寸法を縮小することは、ダブルクラッドファイバ７０２のコア７１４内の光をシングルモードコア７１４内にとどまらせる一方で、より大きい内側クラッド７１６内の光をマルチモードファイバ７０４へ一部逃がす。
【００４７】
ダブルクラッドファイバ７０２とマルチモードファイバ７０４との間では、様々なサイズの組合せが可能である。例えば、ダブルクラッドファイバは直径Ｄ１／Ｄ２／Ｄ３が９／１０５／１２５であってよく、一方でマルチモードファイバは直径Ｄ５／Ｄ６が２２０／２４０であってよい。特にこの組み合わせでは、より多くの部分がマルチモードファイバから出ていくので、マルチモードのカップリング比が約２３／７７％となる。コアの直径Ｄ１は、約３．０μｍ±２０％から約１０．０μｍ±２０％の間で様々な値となってもよい。外側クラッドの直径Ｄ３は、約８０μｍ±２０％から約２００μｍ±２０％の間で様々な値となってもよい。内側クラッドの直径Ｄ２も様々な値となってもよい。外側クラッドに伴う十分なスペースが本質的に無損失で光をガイドさせる限りは、直径はできるだけ大きくされてもよい。例えば、外側クラッドの直径Ｄ３で制限される限りは、スペースは約１０．０μｍまたはそれ以上とされてもよい。所望の非対称性が光カプラに得られるならば、マルチモードファイバの直径Ｄ５／Ｄ６は、１２５／２５０、１１０／１４０、１６５／１９０、４３０／５３０、又は他の可能な組み合わせであってもよい。
【００４８】
ダブルクラッドファイバは、予めテーパ化されている、又は、新品であってよい。予めテーパ化されているダブルクラッドファイバの場合、直径Ｄ１／Ｄ２／Ｄ３のサイズ縮小は、ダブルクラッドファイバが予めテーパ化されていない場合よりも小さいサイズのマルチモードファイバに融着されるようにしてもよい。光カプラが商業的に利用可能なセグメントから生成された場合、光カプラはコンピュータ制御で融着及びテーパ化を行う装置を用いて得られうる。一実施形態においてこの装置は、３軸のモータ駆動ステージ上で移動する酸素−プロパンマイクロトーチと、引き延ばしのための２つのリニアステージとからなる。また他の装置も使用されてよい。代わりに、商業的に利用可能なセグメントから始めずに光カプラを生成するために、様々な製造技術が用いられてもよい。
【００４９】
図８は、シングルモードファイバである第２光ファイバ８０４を有する光カプラ８００がダブルクラッドファイバ８０２に融着されている実施形態を示す。シングルモードファイバはコア８４６を含む。
【００５０】
一実施形態において、非対称性は第２光ファイバの第３ポートからマルチクラッドファイバの内側クラッドへのマルチモード信号の入射を最大化するために利用されうる一方で、マルチクラッドファイバのコアを通る光は無視できる程度の損失で保存される。このような実施形態において、第２光ファイバはマルチモードファイバであってよい。
【００５１】
図９は、第１光ファイバ９０２が結合領域９０６に沿って外側クラッド９１８を除去するように化学的にエッチングされたダブルクラッドファイバであり、第２光ファイバ９０４が予めテーパ化されたマルチモードファイバであり、クロストーク領域９０８及び９２０の両方がそれらの長さの所定の部分に沿ってのみ融着されている、例示的実施形態９００を示す。このようにして得られる二重の非対称性は、マルチモードファイバ１０４からダブルクラッドファイバの内側クラッドへガイドされるマルチモード信号の透過率を好ましいものとする。例えば、９／１０５／１２５のダブルクラッドファイバは、ダブルクラッドファイバとの融着前に比率８で予めテーパ化された２５／１２５のマルチモードファイバに融着される。このようにして、マルチモードファイバからダブルクラッドファイバの内側クラッドへの透過率６６％が得られてもよい。このような実施形態では、第２光ファイバの第３端部から第１光ファイバの第２端部へマルチモード信号が入射される場合にエテンデュ比が１／２７０４となりうる一方で、第１光ファイバの第２端部から第２光ファイバの第３端部へマルチモード信号が引き出される場合にエテンデュ比が２７０４となりうることが示される。
【００５２】
（例５）
【００５３】
図９を参照して、上述されたような一般的構成を有し、第１光ファイバが９μｍ（０．１２ＮＡ）／１０５μｍの寸法を有するカスタム品のＤＣＦであり、第２光ファイバが２５．８μｍ（０．１９ＮＡ）の寸法を有するマルチモードファイバであり、且つ、マルチモードファイバがエテンデュ比１／２７０４で特徴づけられたＩＴＲ０．５でテーパ化されている光ファイバカプラ９００の例では、マルチモード入射率が６６％に達している。
【００５４】
図１０は、マルチモードファイバ１００４がダブルクラッドファイバ１００２と融着される前に予めテーパ化された、光カプラ１０００の例示的実施形態を示す。マルチモードファイバのテーパ化される部分は融着される部分よりも長くされる。マルチモードファイバ１００４のテーパ化される部分において、光は大きなコア１０４４から外側クラッドへ逃げる。カプラの太くなっていくテーパ部分において、好ましくは、マルチモード信号はより大きいダブルクラッドファイバにガイドされ、これによってマルチモードファイバからダブルクラッドファイバの内側クラッドへの双方向透過率が５０％以上となる。
【００５５】
図１１は、外側クラッド１１１８を除去するためにダブルクラッドファイバ１１０２が化学的にエッチングされ、マルチモードファイバ１１０４が予めテーパ化された、光カプラ１１００の例示的実施形態を示す。ダブルクラッドファイバ１１０２の外側クラッド１１１８の除去は、内側クラッド１１１６へのマルチモード信号の伝送を促進する。
【００５６】
一実施形態において、製造プロセスは、第１光ファイバ及び第２光ファイバのクロストーク部の被覆をはがし、これらをアセトンで洗浄することにより始まる。クロストーク部のファイバは、Ｖ字状の溝を含むクランプに保持されることによって一緒に押しつけられ、装置上にマウントされた顕微鏡で検査される。コアモード透過率のオンライン特性のために、第１光ファイバは両端においてシングルモードファイバ（ＳＭＦ）とより継ぎされ、ブロードバンド源と光スペクトルアナライザとにそれぞれ接続される。２本のファイバは、約２分間ファイバに沿って４−８ｍｍにわたり移動するマイクロトーチで、並べて融着される。結合領域は、わずかに低い炎温度で、引き延ばし速度０．１ｍｍ／ｓで、一定の８ｍｍ長に沿って前後に移動するマイクロトーチで引き延ばされる。デバイスはクオーツ基板上にパッケージされてもよい一方で、装置上でテンションをかけられたままステンレス鋼のチューブに挿入されてもよい。例示的なダブルクラッドファイバカプラ（ＤＣＦＣ）のコア信号透過率は、従来のブロードバンド源及び光スペクトラムアナライザで製造中に監視されてもよい。
【００５７】
図１２は、第１光ファイバ１２０２がトリプルクラッドファイバであり、第２光ファイバ１２０４がマルチモードファイバである、光カプラ１２００の例示的実施形態を示す。第１光ファイバ１２０２は、シングルモードコア１２１４と、第１マルチモード内側クラッド１２１６ａ及び１２１６ｂと、第１外側クラッド１２１８とを有する。この場合マルチモード信号は、第２光ファイバの、より大きいコア１２４４から第１マルチモード内側クラッド１２１６ａ及び１２１６ｂの、より大きいコアへ伝送されうる。図１２に示されるこの具体例において、第１マルチモード内側クラッド１２１６ａは、マルチモード信号をガイドするのに十分大きいものでありうる。第１光ファイバのエテンデュは、例えば、伝導する第１マルチモード内側クラッドのＮＡに基づいて計算されうる。
【００５８】
ここまで示されてきた非対称の光カプラは、マルチクラッドファイバからのマルチモード信号の引き出しを最大化するために非対称性を利用している。このことは、シングルモードの部分とマルチモードの部分との両方にとって、信号損失の理論的最小値で稼働する（内視鏡、共焦点内視顕微鏡、分光法のような）医用イメージングシステムの組み立てを可能にする。また診断手法の組合せもサポートされる。設計では内側クラッド領域からの集光率を７０％以上とすることが可能である一方で、広スペクトル領域（１２５０ｎｍから１３５０ｎｍまで）にわたるほぼ全てのシングルモード信号を伝送することも可能である。この設計はＳＮ比の改善を可能にするものであり、（蛍光やラマン光のような）弱い信号を検出するため、又は、生体内サンプルの画像処理をより速く行うために用いられうるものである。非対称光カプラはスペクトル内視鏡（ＳＥＥ）装置で実行されてもよく、１秒当たり３０フレームでスペックル（小斑点）パターンのない画像（１０００ｘ１０００ピクセル）の取得を可能にする。コア信号を干渉計にカップリングすることによって三次元再構成が生成されてもよい。参照により本明細書に援用される米国出願公開第２０１２／０１９０９２８号に記載される装置や技術のいくつかは本明細書の光カプラでも用いられている。
【００５９】
図１３は、例えば非対称光カプラ１３００を用いるシングルファイバ内視鏡装置の例示的実施形態である。レーザ１３４８は、カプラ１３００のポート１に照明を供給する。スキャナ１３５０は、ポート２からの出力信号を抽出する。三次元干渉検知器１３５２は、ポート１経由でサーキュレータ１３５４を通って、かつ、遅延線１３５６を通って存在する。マルチモード内視鏡検出器１３６２（蛍光、ラマン光、分光法）は、カプラ１３００のポート３経由で稼働されてもよい。この装置において、非対称光カプラ１３００は、ポート１及びポート３双方で行われる検出からスペックル（小斑点）を除去する。
【００６０】
図１４は、非対称光カプラ１４００を用いる共焦点内視顕微鏡／共焦点顕微鏡装置の例示的実施形態である。レーザ１４４８は、カプラ１４００のポート１に照明を供給する。（米国出願公開第２０１２／０１９０９２８号に記載されているように）テーパ化された端部１４５８を有するスキャナ１４５０は、ポート２からの出力信号を抽出する。内視鏡検出器１４６０は、ポート１経由でサーキュレータ１４５４を通って存在している。マルチモード共焦点検出器１４６４（蛍光、ラマン光、分光法）は、カプラ１４００のポート３経由で稼働されてもよい。この装置においても、非対称光カプラ１４００は、ポート１及びポート３双方で行われる検出からスペックル（小斑点）を除去する。
【００６１】
図１５は、非対称光カプラ１５００を用いる光干渉断層法（ＯＣＴ）及びマルチモード検出装置の例示的実施形態である。第１レーザ１５４８は、ＯＣＴ向けにカプラ１５００のポート１に照明を供給する。スキャナ１５５０は、ポート２からの出力信号を抽出する。ＯＣＴ検出器１５６６は、ポート１経由でサーキュレータ１５５４を通って、かつ、遅延線１５５６を通って存在する。第２レーザ１５６８は、カプラ１５００のポート３経由で稼働されるマルチモード検出器１５７０（蛍光、ラマン光、分光法）向けにポート１に照明を供給する。
【００６２】
図１６は、非対称光カプラ１６００を用いるレーザ切除、熱治療及び／又は熱凝固用のイメージガイド治療システムの例を示す。この実施形態において、治療用レーザ１６７２は、第２光ファイバのポート３に入射されうる。したがって、非対称光カプラ１６００は、ポート３からポート２へ、治療用ビーム供給器１６７４を用いてサンプルに供給されうる治療用ビームを伝播することができる。治療システムを用いる場合、図２から図８に示される非対称光カプラが使用されうるが、図９、図１０及び図１１に示される光カプラが好ましい。
【００６３】
非対称光カプラを用いる治療システムはＯＣＴ装置と共に示されるが、非対称光カプラを用いる治療システムはポート１を通る他の検出機構と同様のいかなる検出機構からも独立して使用されうることが理解される。ここまでで記載された全ての実施形態において、ダブルクラッドファイバは、コアとマルチ内側クラッドと外側クラッドとを含むマルチクラッドファイバで置き換えられてもよく、ここであらゆる２つの連続する領域は異なる屈折率を有する。
【００６４】
光の取り出しを最大化する、及び／又は、スペックル（小斑点）を除去する目的で光カプラの非対称性を利用する他の装置も用いられうる。上述の発明の実施形態は単なる例示的なものであることが意図されている。したがって発明の範囲は、添付した請求項の記載の範囲によって単に制限されていることが意図されている。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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