(57)【要約】  周囲環境内の標的気体または標的液体を、好都合に短い期間で検出できる光導波路型環境センサが提供される。この光導波路は、好ましくは、クラッドを持つ光ファイバの形態を取っている。このクラッドはフォトニック・バンドギャップ構造を含み、さらに、そのフォトニック・バンドギャップ構造が光伝導性の中空コア部分を包んでいる。このクラッドはさらに、少なくとも１つの細長い側面開口も含む。これらの細長い側面開口は、好ましくは、このファイバの端から端まで延びていて、かつ、上記中空コア部分を周囲環境にさらし、また、この中空コア部分を周囲環境内の気体および液体に、広範に、かつほぼ即時に通じさせ、それにより、センサの応答時間を最小限に抑える。この中空コア部分と細長い開口に充満する周囲気体または周囲液体は、事実上、少なくとも１つの束縛光学モードをサポートする光リッジ導波路のそれぞれリッジとスラブとして働く。
2010519557.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光導波路型環境センサにおいて、
クラッドであって、該クラッドの長手方向の中心軸に沿って、または該中心軸に平行に延びており、かつ前記光導波路を通る光伝送路を画成する中空コア部分を少なくとも一部取り巻くクラッドと、
前記長手方向の中心軸に平行に延びており、かつ前記中空コア部分を周囲環境にさらす、前記クラッド中の少なくとも１つの細長い側面開口と、
を含み、
前記中空コア部分と前記細長い側面開口が共に、少なくとも１つの束縛光学モードをサポートしていることを特徴とする光導波路型環境センサ。
【請求項２】
前記クラッドが、前記中空コア部分を一部取り巻くフォトニック・バンドギャップ構造を含むことを特徴とする請求項１に記載の光導波路型環境センサ。
【請求項３】
前記クラッドが複数の細長い開口を含み、該複数の細長い開口のそれぞれが、前記長手方向の軸に直角な方向に前記クラッドに入り込み、かつ、前記中空コア部分を前記周囲環境にさらすことを特徴とする請求項１に記載の光導波路型環境センサ。
【請求項４】
前記光導波路を横断面で見たときに、前記フォトニック・バンドギャップ構造の中心に前記中空コア部分が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の光導波路型環境センサ。
【請求項５】
前記光導波路を横断面で見たときに、前記フォトニック・バンドギャップ構造中に、中心からずれて前記中空コア部分が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の光導波路型環境センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、光導波路型環境センサと光導波路型環境センサを製造する方法に関し、具体的に言えば、中空コアを周囲環境にさらす細長い側面開口を持つフォトニック・バンドギャップ・ファイバの形式を取っている光導波路型環境センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
中空コアを持つ光ファイバの形式を取っている環境センサは、従来技術において知られている。このような環境センサに用いられる光ファイバの中空コアは、一般に、光ファイバを通じて伝送される光の波長に合致した「禁制周波数範囲（forbidden frequency range）」を持つ中空コアを取り囲むフォトニック・バンドギャップ（ＰＢＧ）構造を介して光を伝導するが、ただし、特定の波長範囲に対して、内部全反射（ＴＩＲ）によって光を伝導する中空コア・ファイバも知られている。このようなセンサは、周囲環境における特定の気体または液体の存在、例えば、火災や他の危険な状況を示す周囲空気中の限界量の二酸化炭素の存在を検出するための使用されることがある。従来技術の設計では、光ファイバの中空コアを、この光ファイバの一端または両端の周囲雰囲気にさらして、この周囲雰囲気からの気体を光ファイバの中空コア中に絶えず流れ込ませる。動作中、検出すべき特定の気体組成物で吸収されることになる波長を持つレーザー光が、絶えず光ファイバの中空コアを通じて伝導される。このような気体が、周囲雰囲気から光ファイバの開放端に引き入れられるときに、その気体は中空コアを通り始め、また、中空コアを通じて伝送されるレーザー光の振幅が、その気体によるレーザー光吸収により小さくなる。先に示された二酸化炭素の例の場合には、或るしきい値よりも下にレーザー光の振幅を小さくすることを利用して、火災警報回路を起動する信号を発生させることができる。
【０００３】
このような環境センサは、周囲雰囲気における多種多様の異なる気体組成物、有機および無機の微粒子または蒸気小滴、また、光ファイバを液体中に浸漬するときには異なる液体組成物さえも検出するのに利用されることがある。それゆえ、このようなセンサは、燃焼生成物、あるいは、汚染物質または潜在的に有毒である物質の検出器としてだけでなく、特定の気体または液体の組成物の制御を必要とする産業用製造プロセスにおける制御用または監視用のセンサとしても、広範に応用できる。
【０００４】
あいにく、このような従来技術の光ファイバ環境センサには、いくつかの欠点がつきまとう。前に指摘されたように、光ファイバの一端または両端しか周囲雰囲気に通じることができず、その場合、比較的小さい直径の中空部分しか外部雰囲気にさらされない。周囲雰囲気が光ファイバ環境センサのファイバの中空コアに通じることがこのように制限されていることから、上記センサが特定の「標的」気体または「標的」液体を検出するのに応答時間が比較的長くなる。例えば、長さ２１ｃｍの公知の光ファイバ・センサでは、最初に標的気体または標的液体を光ファイバの中空コアに引き入れたときから、標的気体または標的液体が存在することを示す信号をこの光ファイバ・センサが発生させるまでに、２分の応答時間が必要である。このように長い応答時間のために、２分の遅延により、高額な組成物の生産運転に取り返しのつかない喪失がもたらされる、化学製造用途などの多くの用途において、このような光ファイバ・センサの有用性が実質的に制限されてしまう。
【０００５】
今までのところ、このようなセンサの応答時間を短縮する満足すべき方法がまったく見出されていない。もちろん、光ファイバ・センサの長さを短くすることはできようが、ただし、そのように短くすることで、センサの感度が低下する（感度は、その中空コアの全容積に比例するから）だけでなく、センサがフォルス・ポジティブを発生させやすくなる（１ｃｍの煙探知器の周りで渦巻くただ１つの巻きひげ状のタバコの煙が、センサを起動させることがあるから）。
【０００６】
この応答時間を短縮する別の解決策は、光ファイバ空気コアの直径を大きくすることであるかもしれない。このような解決策は、ＴＩＲまたはＰＢＧの使用によってではなく、すれすれ入射散乱（grazing incidence scattering）を介して光を伝導する１．０ｍｍ程度の直径を持つ中空コアを有するキャピラリを使用することで、実現されるかもしれない。しかしながら、このようなキャピラリ型光導波路は、１ｄＢ／ｍを超えるような高い光損失を持つことから、上記センサの長さに事実上の制限が加えられ、さらに、比較的に堅くて、撓まないことから、このセンサの鋭角の曲げまたはきつい巻付けが望ましい限られたスペースの場合に、これらの光導波路が取り付けられなくなる。このようなキャピラリ設計に関連する光損失を減らすために、キャピラリの中空内部には、屈折率がはっきりと異なる材料の交互する層が被覆され、それにより、ブラッグ反射器が形成されるか、あるいは、空気よりも小さい屈折率を持つ材料の単一層が被覆されるかもしれない。しかしながら、このように被覆されたキャピラリは、線引きされた光ファイバよりも製造費用が実質的に高くつくことになる。さらに、その光損失は、０．５ｄＢ／ｍよりもさらに大きくなり、また、剛性および不撓性に関連する問題もそのままとなるであろう。さらに、多くの光検出作業は、感度が光信号の強度（パワー／面積）に比例するような非線形光学効果（例えば、ラマン分光分析法）を利用している。光コアがさらに大きくなると、光コア中の光の強度は、光コアの直径の二乗に比例する率だけ減少し、それにより、デバイスの感度が、それと同じ率だけ低下してしまう。
【０００７】
最後に、光ファイバに複数の円形側面孔をレーザーで空けて、その中空コアを周囲雰囲気により有利にさらすことが提案されている。このような解決策により、光ファイバ・センサの応答時間が短縮するかもしれないが、それでも、結果としてもたらされる応答時間は、周囲雰囲気が中空コアに通じることがまだかなり制限されるという事実により、許容できないくらい長くなるであろう。さらに、従来技術では、このように半径方向に延びている側面開口により「漏光（light leaks）」が生じ、それにより、その結果としてもたらされる光損失が許容できないくらい大きくならないうちに、このようなファイバ中に形成できる側面開口の数が制限されるという懸念がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
明らかに、必要とされるものは、低損失、撓み性、および、光ファイバに関連する製造し易さを維持する光導波路型環境センサであるが、ただし、光ファイバの中空コアを周囲環境にさらすための端面孔または側面孔が比較的少数であるファイバ・ベースの環境センサに関連する応答時間を大幅に短縮するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一般的に言えば、本発明は、従来技術につきものの前述の欠点を解決する光導波路型環境センサである。この目的のために、本発明の光導波路型環境センサは、クラッドの長手方向の中心軸に沿って、またはその中心軸に平行に延びていて、光導波路を通る光伝送路を画成する中空コア部分を持つクラッドと、その長手方向の中心軸に平行に延びていて、その中空コア部分の側面の全部またはかなりの部分を周囲環境にじかにさらす、クラッド内の少なくとも１つの細長い側面開口とを含み、しかも、この中空コア部分とこの細長い側面開口が少なくとも１つの束縛光学モード（bound optical mode）をサポートしている。この光導波路は、中空コア部分を包むフォトニック・バンドギャップ構造を含む光ファイバであることが好ましい。このフォトニック・バンドギャップ構造は、屈折率がはっきりと異なる材料の交互層を含むブラッグ反射器か、あるいは、屈折率が周期的に変化する微細構造材料（microstructured material）の形態を取ることがある。動作中、周囲環境からの気体または液体が、クラッド中の中空コア部分および細長い側面開口に充満するときに、この中空コア部分と細長い側面開口は、この中空コア部分に光学モードを束縛する光リッジ導波路センサのリッジとスラブをそれぞれ形成する。
【００１０】
上記細長い側面開口は、中空コア部分の側面を周囲環境に最大限さらすために、また、検出応答時間を最小限に、好ましくは数秒以内に抑えるために、上記導波路の長さの大部分または全部に亘っていることが好ましい。この光導波路は、中空コア部分の側面を周囲環境にさらす働きと、応答時間をさらに短縮する働きをそれぞれがする複数の上記細長い側面開口を持っていてもよい。光複屈折を排除するために、これらの複数の細長い側面開口は、クラッドの周りに対称的に設けられる。
【００１１】
上記細長い側面開口は、平行な側壁を持つ長穴状の溝の形態を取っていてもよい。このような長穴状の開口は、クラッドの一側面だけを通って中空コア部分まで広がっていても、あるいは、クラッドを完全に貫通し、それゆえ、中空コア部分の両側をさらしてもよい。別法として、光導波路の断面を眺めたときに細長い側面開口の側壁が互いに或る角度で配列されるように、クラッドの楔形部分を除去することにより、この細長い側面開口を形成してもよい。最後に、細長い側面開口の側壁が同一平面にあり、したがって、断面を眺めたときに「Ｄ」字形輪郭を光ファイバ・センサに与えるように、クラッドの平らな側の部分を除去することにより、この細長い側面開口を形成してもよい。この最後に述べられたやり方で細長い側面開口が形成されるときには、光ファイバは、結果として得られる光ファイバの光損失を減らすために、「Ｄ」字形輪郭の平らな側が屈曲部の内側にくる螺旋形の構成で半径の周りに曲げられることが好ましい。何故ならば、これは、結果として得られるリッジ導波路を通って伝導される光学モードが、中空コア部分の上記開放構成によってより弱く束縛されるからである。
【００１２】
本発明の光ファイバ・センサはまた、互いに光学的に結合されていることが好ましい複数の中空コアを持っていてもよい。例えば、このような実施の形態では、これらの中空コア部分の１つまたは全部が、１つまたは複数の細長い側面開口により、周囲環境にさらされてもよい。例えば、このようなセンサでは、１つの孔が、周囲環境から隔離されて基準光路として働く一方で、他のコア（１つまたは複数）が周囲環境にさらされ、それにより、基準光路中の光が検出光路中の光に干渉して、標的気体種または標的液体種の濃度に関係のある信号を生成する干渉応用センサを製造してもよい。本発明のいくつかの実施の形態による上記の差動センサまたは干渉応用センサは、温度や圧力などの他の環境変化の影響を除去できる。
【００１３】
最後に、本発明はまた、フォトニック・バンドギャップ構造で取り囲まれた中空コア部分を含む光伝導材料から細長い光導波路を形成するステップと、上記中空コア部分を周囲環境にさらす、上記光導波路の長手方向の軸に平行である上記光導波路の一側面に細長い開口を形成するステップとを含む、光導波路型環境センサを製造する方法も包含する。上記細長い光導波路を形成するステップは、光伝導材料から空気コア・フォトニック・バンドギャップ・ファイバを線引きすることで実現される、一方、上記細長い開口を形成するステップは、上記ファイバの側壁に上記開口を化学的にエッチングすることで実現されることが好ましい。このような化学的なエッチングを利用して、この細長い開口を形成する場合、上記ファイバの側壁に上記開口を化学的にエッチングするステップを容易ならしめるように、さらに速いエッチング速度を持つガラス組成物を、上記光ファイバの一側面に設けてもよい。別法として、この細長い開口は、上記光ファイバの側壁に上記開口をレーザー切削（例えば、穴開け）により形成してもよい。本明細書中で用いられる「レーザー切削（laser machining）」という語は、レーザーを利用する様々な形式の材料除去、材料再分配、および材料変更を含むが、ただし、それらには限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】警報システム内で動作中の本発明の光ファイバ環境センサの斜視図
【図２Ａ】微細構造を形成する格子（ラティス）の中心に中空コアが置かれ、また、細長い側面開口が、この格子のｘ軸に沿って半径長穴の形態を取っている光ファイバ・センサの実施の形態の側面断面図
【図２Ｂ】微細構造を形成する格子（ラティス）の中心に中空コアが置かれ、また、細長い側面開口が、この格子のｘ軸に沿って半弦（semichordal）長穴の形態を取っている光ファイバ・センサの異なる実施の形態の側面断面図
【図２Ｃ】微細構造を形成する格子（ラティス）の中心に中空コアが置かれ、また、細長い側面開口が、この格子のｘ軸に沿って直径長穴の形態を取っている光ファイバ・センサの異なる実施の形態の側面断面図
【図２Ｄ】微細構造を形成する格子（ラティス）の中心に中空コアが置かれ、また、細長い側面開口が、この格子のｘ軸に沿って弦長穴の形態を取っている光ファイバ・センサの異なる実施の形態の側面断面図
【図２Ｅ】微細構造を形成する格子（ラティス）の中心に中空コアが置かれ、また、細長い側面開口が、この格子のｘ軸に沿って半弦長穴の形態を取っている異なる光ファイバ・センサの実施の形態の側面断面図
【図２Ｆ】微細構造を形成する格子（ラティス）の中心に中空コアが置かれ、また、細長い側面開口が、この格子のｘ軸に沿って弦長穴の形態を取っている光ファイバ・センサの異なる実施の形態の側面断面図
【図２Ｇ】微細構造を形成する格子（ラティス）の中心に中空コアが置かれ、また、細長い側面開口が、この格子のｘ軸に沿って半径長穴の形態を取っている光ファイバ・センサの異なる実施の形態の側面断面図
【図３Ａ】微細構造を形成する格子の中心に中空コアが置かれ、また、細長い側面開口が、この格子のｙ軸に沿って半径長穴の形態を取っている光ファイバ・センサの実施の形態の側面断面図
【図３Ｂ】微細構造を形成する格子の中心に中空コアが置かれ、また、細長い側面開口が、この格子のｙ軸に沿って半弦長穴の形態を取っている光ファイバ・センサの異なる実施の形態の側面断面図
【図３Ｃ】微細構造を形成する格子の中心に中空コアが置かれ、また、細長い側面開口が、この格子のｙ軸に沿って直径長穴の形態を取っている光ファイバ・センサの異なる実施の形態の側面断面図
【図３Ｄ】微細構造を形成する格子の中心に中空コアが置かれ、また、細長い側面開口が、この格子のｙ軸に沿って弦長穴の形態を取っている光ファイバ・センサの異なる実施の形態の側面断面図
【図３Ｅ】微細構造を形成する格子の中心に中空コアが置かれ、また、細長い側面開口が、この格子のｙ軸に沿って半弦長穴の形態を取っている光ファイバ・センサの異なる実施の形態の側面断面図
【図３Ｆ】微細構造を形成する格子の中心に中空コアが置かれ、また、細長い側面開口が、この格子のｙ軸に沿って弦長穴の形態を取っている光ファイバ・センサの異なる実施の形態の側面断面図
【図４Ａ】微細構造を形成する格子の中心に中空コアが置かれ、また、細長い側面開口が、互いに１２０度の角度をなして均等に設けられ、かつ、中空コアに対して対称的に位置づけられて複屈折を排除する３つの半径長穴の形式を取っている光ファイバ・センサの実施の形態の側面断面図
【図４Ｂ】微細構造を形成する格子の中心に中空コアが置かれ、また、細長い側面開口が、互いに１２０度の角度をなして均等に設けられ、かつ、中空コアに対して対称的に位置づけられて複屈折を排除する３つの半径長穴の形式を取っている光ファイバ・センサの異なる実施の形態の側面断面図
【図４Ｃ】微細構造を形成する格子の中心に中空コアが置かれ、また、細長い側面開口が、互いに１２０度の角度をなして均等に設けられ、かつ、中空コアに対して対称的に位置づけられて複屈折を排除する３つの半径長穴の形式を取っている光ファイバ・センサの異なる実施の形態の側面断面図
【図４Ｄ】中空コアが、六角形であって、微細構造を形成する格子の中心に置かれてなく、また、細長い側面開口が弦長穴の形式を取っている光ファイバ・センサの実施の形態の側面断面図
【図４Ｅ】中空コアが、三角形であって、微細構造を形成する格子の中心に置かれてなく、また、細長い側面開口が弦長穴の形式を取っている光ファイバ・センサの異なる実施の形態の側面断面図
【図４Ｆ】本発明の光ファイバ・センサへのレーザー切削または化学的エッチングを容易ならしめる偏心中空コアを持つ前駆体ファイバの側面断面図
【図５Ａ】図２Ｄに示される実施の形態に対して、計算された基本光学モードの１０％、３０％、５０％、７０％、９０％にて、光強度等高線（optical intensity contour）を示して、本発明の実施の形態で提供されるモード閉じ込め量（amount of mode confinement）を一般的に示している。
【図５Ｂ】幅の狭い水平長穴を持つフォトニック・バンドギャップ・ファイバに対して、計算された基本光学モードの１０％、３０％、５０％、７０％、９０％にて、光強度等高線を示して、本発明の異なる実施の形態で提供されるモード閉じ込め量を一般的に示している。
【図５Ｃ】図３Ｃに示される実施の形態に対して、計算された基本光学モードの１０％、３０％、５０％、７０％、９０％にて、光強度等高線を示して、本発明の異なる実施の形態で提供されるモード閉じ込め量を一般的に示している。
【図６Ａ】細長い側面開口が半径長穴の形態を取り、また、格子が空孔のパターンから形成されている、周囲液体を検出するのに使用される光ファイバ・センサの実施の形態の側面断面図
【図６Ｂ】細長い側面開口が直径長穴の形態を取り、また、格子が空孔のパターンから形成されている、周囲液体を検出するのに使用される光ファイバ・センサの異なる実施の形態の側面断面図
【図６Ｃ】細長い側面開口が半径長穴の形態を取り、また、格子が高屈折率のガラス、液体、または合成樹脂から形成されている、周囲液体を検出するのに使用される光ファイバ・センサの異なる実施の形態の側面断面図
【図６Ｄ】細長い側面開口が直径長穴の形態を取り、また、格子が高屈折率のガラス、液体、または合成樹脂から形成されている、周囲液体を検出するのに使用される光ファイバ・センサの異なる実施の形態の側面断面図
【図７Ａ】図２Ａに示される実施の形態に構造が類似しているが、ただし、細長い側面開口が楔形の半径長穴の形式を取る光ファイバ・センサの一実施の形態の側面断面図
【図７Ｂ】内部ボイド・スペース（internal void space）の、前駆体ファイバを本発明の光ファイバ・センサに容易に転換できるようにする特徴を持った前駆体ファイバ設計の側面断面図
【図７Ｃ】内部ボイド・スペースの、前駆体ファイバを本発明の光ファイバ・センサに容易に転換できるようにする特徴を持った異なる前駆体ファイバ設計の側面断面図
【図７Ｄ】容易にエッチングされるガラスの、前駆体ファイバを本発明の光ファイバ・センサに容易に転換できるようにする特徴を持った異なる前駆体ファイバ設計の側面断面図
【図７Ｅ】前駆体ファイバを本発明の光ファイバ・センサに容易に転換できるようにする特徴を持った異なる前駆体ファイバ設計の側面断面図
【図７Ｆ】前駆体ファイバを本発明の光ファイバ・センサに容易に転換できるようにする特徴を持った異なる前駆体ファイバ設計の側面断面図
【図８Ａ】光ファイバ・センサがオーバークラッド（overcladding）で包まれて製造を容易ならしめる、光ファイバ・センサとそのプリフォームの実施の形態を示す側面断面図
【図８Ｂ】光ファイバ・センサがオーバークラッドで包まれて製造を容易ならしめる、光ファイバ・センサとそのプリフォームの異なる実施の形態を示す側面断面図
【図８Ｃ】２つの中空コアの両方が直径長穴を介して周囲環境にさらされる、これらの中空コアを格子内に持つ光ファイバ・センサの実施の形態の側面断面図
【図８Ｄ】２つの中空コアの両方が直径長穴を介して周囲環境にさらされる、これらの中空コアを格子内に持つ光ファイバ・センサの異なる実施の形態の側面断面図
【図８Ｅ】２つの中空コアの一方が半径長穴を介して周囲環境にさらされる、これらの中空コアを格子内に持つ光ファイバ・センサの異なる実施の形態の側面断面図
【図８Ｆ】２つの中空コアの両方が半径長穴を介して周囲環境にさらされる、これらの中空コアを格子内に持つ光ファイバ・センサの異なる実施の形態の側面断面図
【図９Ａ】細長い側面開口が、クラッドの平らな側の部分を除去して２つの偏心中空コアの一方を周囲環境にさらす形態を取って、その結果得られるファイバが「Ｄ」字形の断面を呈するようにしている、これらの偏心中空コアを持つ光ファイバ・センサの実施の形態の側面断面図
【図９Ｂ】細長い側面開口が、クラッドの平らな側の部分を除去して２つの偏心中空コアの両方を周囲環境にさらす形式を取って、その結果得られるファイバが「Ｄ」字形の断面を呈するようにしている、これらの偏心中空コアを持つ光ファイバ・センサの異なる実施の形態の側面断面図
【図９Ｃ】細長い側面開口が、クラッドの平らな側の部分を除去して１つの偏心中空コアのを周囲環境にさらす形式を取って、その結果得られるファイバが「Ｄ」字形の断面を呈するようにしている、これらの偏心中空コアを持つ光ファイバ・センサの異なる実施の形態の側面断面図
【図１０】図１０は、図９Ａ〜図９Ｃに示されるものに類似しているが、ただし、光ファイバが、中心に配置された単一の空気コアだけを持ち、また、光ファイバをコイル状に巻いて、その開放側がこのコイルの内径を形成して、上記空気コア内に光学モードをより有利に閉じ込めるようにしている点が異なる光ファイバ・センサの一実施の形態の略断面図
【図１１Ａ】一般に、曲げ半径が小さくなるにつれて、どの程度、モード閉じ込めが向上するのか示している、１０００ｍｍの曲げ半径に対する、図１０に示されるものに類似した構造の基本光学モードの１０％、３０％、５０％、７０％、９０％にて、光等高線で示される光強度グラフ
【図１１Ｂ】一般に、曲げ半径が小さくなるにつれて、どの程度、モード閉じ込めが向上するのか示している、１０ｍｍの曲げ半径に対する、図１０に示されるものに類似した構造の基本光学モードの１０％、３０％、５０％、７０％、９０％にて、光等高線で示される光強度グラフ
【図１１Ｃ】一般に、曲げ半径が小さくなるにつれて、どの程度、モード閉じ込めが向上するのか示している、５ｍｍの曲げ半径に対する、図１０に示されるものに類似した構造の基本光学モードの１０％、３０％、５０％、７０％、９０％にて、光等高線で示される光強度グラフ
【図１２Ａ】細長い側面開口をまったく持たず、それゆえ、空気スラブ（air slab）をまったく持たないフォトニック・バンドギャップ・ファイバ・センサの光学モードを比較したバンドギャップ図
【図１２Ｂ】本発明を実施するフォトニック・バンドギャップ・ファイバ・センサの光学モードを比較したバンドギャップ図
【図１３Ａ】本発明の図１２Ｂと同一の実施の形態の異なる誘導モード（guided mode）を示す概略図
【図１３Ｂ】本発明の図１２Ｂと同一の実施の形態の異なる誘導モード（guided mode）を示す概略図
【図１３Ｃ】本発明の図１２Ｂと同一の実施の形態の異なる誘導モード（guided mode）を示す概略図
【図１３Ｄ】本発明の図１２Ｂと同一の実施の形態の異なる誘導モード（guided mode）を示す概略図
【図１３Ｅ】本発明の図１２Ｂと同一の実施の形態の異なる誘導モード（guided mode）を示す概略図
【図１３Ｆ】本発明の図１２Ｂと同一の実施の形態の異なる誘導モード（guided mode）を示す概略図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
次に、図１（ここでは、いくつかの図のすべてを通じて、同じ構成要素は同じ番号で表されている）を参照すると、本発明の光導波路センサ１は好ましくは、格子型微細構造７（以後、クラッド７と呼ぶ）を持つフォトニック・バンドギャップ・ファイバ３を含む。クラッド７は、ファイバ３の中心にあるシリカ中の空孔８のパターン（図２Ａ〜図４Ｆに示される）など、異なる屈折率を持つ異なる光伝導材料のパターンを含む。あるいは、クラッド７は、２つの異なる種類のガラス、またはガラスと合成樹脂材料など、２つの異なる固体光伝導材料の交互するパターンから形成してもよい。最後に、これら２つの材料の屈折率の違いから、中空コア５内に少なくとも１つの光学モードを閉じ込める「禁制ゾーン（forbidden zone）」が事実上形成される限り、クラッド７は、このような材料の交互する層から形成してもよい。さらに、クラッド７はジャケット９で取り囲まれる。ジャケット９は、細長い側面開口１１を含む。細長い側面開口１１は、この例では、ファイバ３の実質的に端から端まで延びている長穴１３である。長穴１３は、ファイバ３の円形断面に関して半径方向に延びていて、中空コア５を周囲環境にさらす。この例では、その周囲環境は周囲雰囲気である。コア５と長穴１３はともに、共同光学構造（joint optical structure）でサポートされる光学モードを導く導波路を形成する。コア５は、長穴１３を局部的に広げたものであって、少なくとも１つの光学モードが、そのエネルギーのかなりの割合をこの拡大領域に集中させて、サポートされるようにしている。この光学モードは、上記拡大領域内に、そのエネルギーの５０％より多くを、もっとも好ましくは７５％より多くを持つことになる。動作中、周囲気体１５を、絶えず長穴１３に通して、ファイバの中空コア５に流れ込ませる。光（例えば、レーザー光）源１７は、ファイバ３の一端に光学的に結合されて、中空コア５を通じてビーム１９を投射する。光源１７としては、準単色レーザー光源、複数のレーザー光源（共伝搬または対向伝搬）、広帯域光源（ハロゲン電球、グローバー、スペクトル・ランプなど）、発光ダイオード、あるいは、検出用途に利用される他の任意の光源が挙げられる。中空コア５と半径方向に延びる長穴１３は共に、少なくとも１つの光学モードをサポートし、さらに具体的に言えば、それぞれ光リッジ導波路のリッジとスラブとして働く。この光リッジ導波路は、その光パワー（光出力）の半分以上を、中空コア５と、半径方向に延びる長穴１３のうち中空コア５に直接隣接した部分とで画成される領域に閉じ込めて、少なくとも１つの光学モードの伝搬をサポートする。この場合のスラブは、細長い側面開口１１の端であるジャケット９の外面では終わらず、周囲雰囲気まで続いており、それにより、「半無限（semi-infinite）」のスラブが形成される。光（例えば、レーザー光）のビーム１９の中心周波数は、周囲空気１５中の標的の気体、液体、または微粒状物質により吸収できるか、または変更されるように、選択される。例えば、この光導波路センサを火災探知器として利用しようとする場合には、光ビーム１９の中心周波数は、二酸化炭素で吸収されるように選択されるであろう。フォトトランジスタであるかもしれ���い光センサ２１は、フォトニック・バンドギャップ・ファイバ３の対向する端から出るレーザー光のビーム１９を受け取って、フォトニック・バンドギャップ・ファイバ３の上記端から出るビーム１９の振幅によって決まる振幅を持つ電気信号を発生させる。さらに、光センサ２１はデジタル処理回路２３に接続されている。このデジタル処理回路２３は、光センサ２１で発生する電気信号の振幅を絶えず監視する。光センサ２１で受け取られる信号の振幅が、選択しきい値よりも下がるときには、警報回路（図示されてない）を起動するように、デジタル処理回路２３がプログラムされている。
【００１６】
あるいは、感度、選択度を高めるために、あるいは、光センサに機能を追加するために、さらに手の込んだ検出方法を利用してもよい。このような方式としては、差分検出（多波長または多重光路を含む）、非線形分光分析法（例えば、ラマン、コヒーレント・アンチストークス・ラマン散乱、ブリルアン散乱を含む）、干渉計検出、偏光ベースの検出、モード検出、分布計測（非線形効果、散乱、または光時間領域反射測定法を使用する）、多波長検出、または、これらの組合せが挙げられるが、ただし、それらには限定されない。
【００１７】
フォトニック・バンドギャップ・ファイバ３中の細長い側面開口１１は、周囲気体１５をファイバ３の中空コア５にほぼ即時に通じさせられるために、光導波路センサ１の応答時間は、ほぼ即時である。さらに、中空コア５と長穴１３によって形成された光リッジ導波路に関連する損失は比較的に小さいために、ファイバ３は、約１０メートル以上の長さであってよく、それがまた、高感度をもたらし、かつ、特定エリア内に存在する周囲気体をファイバ３に幅広くサンプリングさせ、それにより、フォルス・ポジティブの可能性が低下し、またそれにより、センサ１の総合信頼性が向上する。
【００１８】
図２Ａ〜図２Ｇは、微細構造を形成する格子７の中心に中空コア５が置かれ、また、細長い側面開口１１が、この格子のｘ軸に沿って半径長穴、半弦長穴、直径長穴、弦長穴の形態を取っている本発明のフォトニック・バンドギャップ・ファイバ・センサ３の異なる実施の形態の側面断面図である。
【００１９】
図２Ｇでは、フォトニック・バンドギャップ・ファイバ３は、その長手方向に沿った軸を持ち、また、この軸に対して垂直に横断面を持っている。長穴１３は、ファイバの軸と同一直線上にある第１の軸を持ち、また、この第１の軸に垂直方向にあって、中空コア５から細長い側面開口１１まで延びている第２の軸、すなわち横断軸を持っている。格子があるときに、長穴１３は、その半径方向寸法（radial dimension）ｒに対して垂直に、変動する幅１２ｗ（ｒ）を持つことがある。そのようなものが、格子中に空孔８があることによる、図２Ａ〜図２Ｇの場合である。長穴の幅１２は、横断軸と呼ばれる半径方向寸法に対して垂直に測られる最小横断幅によって与えられる。その幅極小値の位置は、ｄｗ（ｒ）／ｄｒ＝０となり、かつ、ｒに対する幅の二次導関数が正となるように、半径方向寸法の関数として、長穴幅の導関数を算出することで、決定されるであろう。中空コア５（その重心は、ｒ＝０と見なされる）は、長穴１３がないときに存在することになる周期格子中のボイド（void）で与えられる。中空コア５と長穴１３は、少なくとも一部、重なるために、本発明者等は、長穴１３が、その第１の幅極小値１４を持つ場所（ｒ＝０からカウントされる）まで、その重なり領域を含めるように中空コア５を広がると定義している。図２Ｃ中の長穴２８ａと長穴２８ｂなどの複数の長穴の場合には、中空コア５は、それぞれの長穴に沿った第１の幅極小値まで広がる。中空コア５は一般に、最小横断寸法Ｄ、重心位置、囲われた横断区域Ａ、周界ρにより特徴つけられる不規則な形状を持つことになる。
【００２０】
図２Ａに示されるファイバ・センサ３では、クラッド７は、空孔８の格子によって形成される。クラッド７が、目標とされる波長範囲にわたってフォトニック・バンドギャップを持つように、この格子の構造と材料が選択される。この構造のスケールには、その周期構造の単位セル間の間隔として定義されるピッチΛが与えられる。図２Ａでは、このピッチには、隣接する空孔の中心と中心との間隔により与えられることになる。このフォトニック・バンドギャップの波長範囲は、ピッチΛ、屈折率ｎ、格子のタイプ、および、この格子の単位セルの設計（形状を含む）を変更すれば、変えられる。ファイバ・センサ３は、紫外線（１００ナノメートル〜４００ナノメートル）から遠赤外線（２０マイクロメートル）までの光スペクトルにわたって動作するように設計することができる。単一のガラスでは、吸収なしにはこのような広い波長範囲が網羅されないとは言え、このスペクトルのそれぞれの部分に、光吸収の少ない複数のガラスがある。これらのガラスの例として、溶融シリカ、ケイ酸塩、ホウケイ酸塩、リン酸塩、ゲルマン酸塩、カルコゲナイド、イオンガラス（ハロゲン化物、硝酸塩、硫酸塩、炭酸塩など）、ガラスセラミックがある。さらに、ＰＭＭＡなどのアクリレートを含む光学ポリマーおよびパーフルオロポリマー（perfluorinated polymer）は、本発明の実施の形態に使用されるのに充分な光透過性を与える。
【００２１】
この動作波長は、その格子構造のピッチΛに関係がある。シリカ中の空孔の格子では、小さい空気充満割合（中実体積に対するボイド容積の比率）に対するλ＝Λから、大きい空気充満割合に対するλ＝３．５Λまでのλで与えられる波長を、このバンドギャップの中心に置いている。一例として、近赤外線（８００ナノメートル〜２０００ナノメートル）で動作するデバイスでは、その格子ピッチは、Λ＝８００ナノメートル〜７０００ナノメートルの範囲で設計できる。中空コア５は一般に、Ｄ＝０．７ΛとＤ＝５０Λの間の寸法Ｄを持つことになり、また、長穴１３は、０．５Λよりも大きい最小幅を持つことになる。この構造は、ピッチΛの間隔を置いて配置された複数列の孔を含み、また強度を与えるために、外側ジャケット９を持つことになる。最終のファイバまたは導波路の全直径は、５０マイクロメートル〜５００マイクロメートルであろう。
【００２２】
図２Ａに示されるファイバ・センサ３では、長穴１３は、向い合う平行な側壁を持つ片側の長穴である。長穴１３が、中空コア５を周囲雰囲気に最大限さらすために、ファイバ・センサ３の端から端まで延びていることが好ましい。長穴１３は、ファイバ・センサ３の円形断面に関して半径方向に延びている。このような片側の長穴１３は、クラッド７の「禁制ゾーン」内に波長を持つ中空コア５を通じて伝送されるレーザー光のビームに対して損失が比較的に小さいという利点を持つことになるが、一方、長穴１３が半径方向に延びていることから、中空コア５に流れ込む外部気体または外部液体の流体流れ抵抗が最小限に抑えられる。後で説明される本発明の図１０の実施の形態に関して与えられるあらゆる理由から、ファイバ・センサをコイル状に巻いて、長穴１３が、結果として得られるコイルまたは螺旋体の内径に面するようにすれば、どんな損失も、さらに減らすことができよう。図２Ｂに示されるファイバ・センサ２５でも、片側の長穴２６が利用される。しかしながら、長穴２６は、伝導光の「コア」モードと「長穴」モードとの重なりからもたらされるかもしれない損失を最小限に抑えるために、図示されるように、中空コア５の底面と交わる半弦の配置にて、中空コア５の中心からずらされている。
【００２３】
図２Ｃと図２Ｄに示されるファイバ・センサ（２７と２９）では、両側に亘る直径長穴（２８ａと２８ｂ、３０ａと３０ｂ）が利用される。これらの両側に亘る直径長穴（２８ａと２８ｂ、３０ａと３０ｂ）は、図２Ａと図２Ｂに関して説明される片側の長穴（１１と２６）と比較して、流体流れ抵抗を減らすという利点を持っており、さらに、そのことが、感度を増し、かつ応答時間を短縮する。しかしながら、これらの利点には、ファイバ・センサ（２７と２９）を通じて伝導される光の幾分大きな損失をともなう。さらに、ファイバ・センサ（２７と２９）の２つの半体が、ジャケット９の周期ウェブ（periodic web）を介して互いに連結されているように、これらの長穴を周期的に中断させることが必要であるから、両側に亘る長穴（２８ａと２８ｂ、３０ａと３０ｂ）は、ファイバ・センサ３の端から端まで延びることはありえない。ファイバ・センサ２７の直径長穴（２８ａと２８ｂ）の中心配置により、中空コア５を通る流体流れが最大となるが、一方、ファイバ・センサ２９の弦長穴（３０ａと３０ｂ）の中心ずれ配置により、流体流れが若干減少するが、図２Ｂのファイバ・センサ２５を用いて説明された通り、重なりモードを減らす場合に同じ利点が与えられる。
【００２４】
図２Ｅと図２Ｆに示されるファイバ・センサ（３２と３６）は、図２Ｂと図２Ｄに関して述べられたものと同一の長穴配置を持っているが、ただし、長穴を通じて伝送される光信号の減衰が増すという起こり得る犠牲を払って、流体流れを向上させるために、図２Ｂや図２Ｄのものよりも幅の広い長穴（３４、３７ａと３７ｂ）をそれぞれ持っている。
【００２５】
図３Ａ〜図３Ｆは、図２Ａ〜図２Ｆの実施の形態（３、２５、２７、２９、３２、３６）に関して述べられたものと同一の構造である本発明のファイバ・センサの６つの追加実施の形態（３８、４２、４５、４８、５２、５５）を示しているが、ただし、唯一の例外として、これらの実施の形態の長穴（４０、４４、４７ａと４７ｂ、５０ａと５０ｂ、５３、５７ａと５７ｂ）が、クラッド７の格子のｙ軸に沿って延びている。クラッド７の格子に対する長穴の配置は、図３Ａ〜図３Ｄの実施の形態での光信号減衰量に影響を及ぼすこともある。図３Ａを参照して、水平軸ｘに平行であるが、ただし、垂直軸ｙに対しては互い違いにされている列で、クラッド７の孔がどのように配列されているのかに留意されたい。それゆえ、ファイバ・センサ３の長穴４０が垂直軸ｙに沿って切削されるときに、隣接する２つの孔８の向い合う縁と長穴４０とが交わる所に、小さな光学空胴（optical cavity）４１が形成される。これらの光学空胴４１の存在により、コア・モードと長穴モードとの重なりを減らすように、それらの長穴モードが変えられる。これは、ファイバ・センサ３に沿った構造上の摂動により、伝導光モード間の結合が減らされるために、減衰をさらに少なくする。これと同じ原理が、図３Ｅ〜図３Ｆの実施の形態ではなくて、図３Ｂ〜図３Ｄの実施の形態に適用されるが、これは、光学空胴５４がこれらの長穴モードを取り込んで、さらに強く束縛する働きをもうしなくなるところまで、長穴（５３、５７ａと５７ｂ）のより広い幅が事実上、光学空胴５４を開くからである。しかしながら、長穴（５３、５７ａと５７ｂ）の垂直配置は、他のやり方で、この光減衰に影響を及ぼすことになる。
【００２６】
図４Ａ〜図４Ｃは、すべて複屈折である前述の実施の形態とは対照的に、等方性であるファイバ・センサの実施の形態（６０、６２、６５）を示している。前述の実施の形態の複屈折性は、構造的に対称性が三重よりも少ない結果である。このような複屈折の結果は、この電場の偏光の異なる基本モードが、異なる伝搬定数を持ち、したがって、位相速度の異なる導波路を下ることになり、その到来光ビームを、相対強度が、このファイバ構造に対する到来光ビームの偏光に左右される２つの直交偏光ビームに分けるという効果を持つことである。複屈折は、制御される偏光によって決まるいくつかの光検出技法を妨げることもある。その結果、このような用途には、上記複屈折のないファイバ・センサが好ましい。図４Ａ〜図４Ｃの実施の形態では、中空コア（５と６６ｄ）の中心と、クラッド７の六角形の外形の両方に対して対称的に配置され、かつ互いに１２０度の角度をなして均等に配置された３つの長穴（６１ａ〜６１ｃ、６３ａ〜６３ｃ、６６ａ〜６６ｃ）を設けることで、複屈折が排除される。このような設計は、複屈折を回避するのに必要な二重より大きい回転対称性をもたらす。マルチモード・ファイバ・センサである図２Ａ〜図４Ｂに示される実施の形態とは対照的に、図４Ｃの実施の形態は、中空コア６６ｄの比較的に小さい断面積に基づいて、シングルモード・ファイバ・センサである。本発明者等は、本発明のほとんどの用途が、マルチモード伝送能力を必要とすると予想しているが、図４Ｃの実施の形態は、万一そのような必要性が生じるとしたら、本発明をどのように、シングルモード伝送に修正変更させるのかを示している。この導波路のリッジ部分にかなり大きなエネルギーを持つただ１つの光モード（可能な偏光状態が１つまたは２つある）がある場合には、デバイスは、シングルモードと見なされる。そのスラブには、別のモードが存在することもあるが、ただし、それらのモードは、上記リッジ領域との重なりがわずかであるために、問題とされない。図４Ｄと図４Ｅは、両側に亘る長穴（６８ａと６８ｂ、７１ａと７１ｂ）の切削を容易ならしめるために、クラッド７の側部（サイド）に中空コア（６９、７２）を位置づけている本発明の実施の形態（６７、７０）を示している。このようにクラッド７に対して中空コア（６９、７２）を位置づければ、長穴（６８ａと６８ｂ、７１ａと７１ｂ）を設けるのに利用される化学的エッチングか、レーザー切削のいずれかにより貫かれる孔８の数が減る。クラッド７の中心に中空コア５が位置づけられている本発明の実施の形態では、中空コアを取り巻く孔８がレーザービームを散乱させるから、このレーザービームを正確に集束させることはさらに難しい。その結果、このエリア内の格子孔（lattice hole）８の欠如により、中空コア／クラッドの界接面での「禁制ゾーン」が欠けていることに起因するかもしれないどんな損失にもかかわらず、中空コア（６９、７２）を取り巻く格子孔８の数がさらに少ないことから散乱が減らされれば、上記のどんな損失も補償する以上のことをしてくれるであろうと予想される。最後に、図４Ｆは、製造を容易ならしめるために、クラッド７の側部に中空コア７５が位置づけられている本発明の一実施の形態の前駆体（precursor）７４を示している。
【００２７】
図５Ａ〜図５Ｃは、図２Ｄの長穴構成を持つファイバ・センサに対する、また、幅の狭い水平長穴を持つフォトニック・バンドギャップ・ファイバに対する、さらに、図３Ｃの長穴構成を持つファイバ・センサに対する、基本光学モードの形状のコンピュータ・シミュレーションである。これらの図はそれぞれ、伝えられるモードのピーク強度の１０％、３０％、５０％、７０％、９０％を取り巻く光強度等高線を介して、それぞれのモードを示している。これらのシミュレーションは、長穴の存在により、若干の損失があることを示しているが、さらに一般的には、これらのシミュレーションは、クラッド７が中空コア５を完全に取り巻かなくても、光学モードをサポートする際に中空コアと長穴によって形成されるリッジ・タイプの導波路の有効性を示している。
【００２８】
図６Ａ〜図６Ｄは、液体環境７１において利用できる本発明の実施の形態（３、２７、８０、８２）を示している。実施の形態（３と２７）の特定の構造は、すでに説明されている。しかしながら、液体環境では、これらの実施の形態（３と２７）は、クラッド７が、ソリッド・ガラス母体（solid glass matrix）１０中に空孔８であるかもしれない低屈折率のボイドのパターンを構成しているので、上述の「禁制ゾーン」現象により光を伝導することはないであろう。その代わりに、ファイバ・センサの実施の形態（３、２７）は、従来の光ファイバが光を伝導するのとほとんど同じやり方で、全内部反射によって、中空コア５を通じて光を伝導することになる。もっと正確に言えば、この導波機構（guidance mechanism）は、本技術分野においてよく知られているソリッドコア・フォトニック結晶ファイバに見出される修正全内部反射のものである。これと対照的に、実施の形態（８０と８２）のクラッド７は、高屈折率のボイド８３（これらは、高屈折率のガラス、液体、または合成樹脂から形成されることがある）のパターンから形成されている。このパターンは事実上、「禁制ゾーン」を生成することになり、さらに、その「禁制ゾーン」により、ファイバ・センサ（８０と８２）が、フォトニック・バンドギャップ・ファイバとして光を伝導できることになる。また一方で、ファイバ・センサ（６Ｂと６Ｄ）は、片側の長穴１３と対照して、両側に亘る長穴（２８ａと２８ｂ）を設けていることにより、ファイバ・センサ（６Ａと６Ｃ）と比較して、より優れた応答時間と感度を持つことになる。本出願において、本発明者の言う低屈折率とは、クラッド構造（孔と母体を合わせたもの）の最低エネルギーモードの有効屈折率が、そのコア領域内の材料の屈折率よりも小さいことをさしている。同様に、高屈折率とは、クラッド構造（孔と母体を合わせたもの）の最低エネルギーモードの有効屈折率が、そのコア領域内の材料の屈折率よりも大きいことであると定義されている。コア屈折率が、クラッドの最低エネルギーモードの有効屈折率よりも大きかろうと、小さかろうと、光電場（optical field）の波長を変化させると、構造が変わることもある。
【００２９】
図７Ａと図７Ｂは、本発明のさらなる実施の形態（８５、８８）である。図７Ａの実施の形態８５は、集束レーザービームから形成された結果として、その片側の長穴８６が楔形である。長穴８６の平行でない側壁は、結果として得られるファイバ・センサの光学的性能に大して影響を及ぼさないであろう。図７Ｂの実施の形態８８は、本発明のファイバ・センサの前駆体か、本発明の代わりの実施の形態のいずれかであり得る。この実施の形態８８は、このファイバ・センサの側面を貫通してない両側に亘る内部長穴（８９ａ、８９ｂ）を含む。このような内部長穴（８９ａ、８９ｂ）は、プリフォーム段階で作られることがあり、内部長穴（８９ａ、８９ｂ）内の空気の圧力を或る一定レベルに維持する場合には、線引きプロセスの間、このファイバにとどまることになる。実施の形態８８は、前駆体として使用されるときには、内部長穴（８９ａ、８９ｂ）の外方半径端から、このファイバの側面までの短い距離だけレーザー切削されて、内部長穴（８９ａ、８９ｂ）を外部環境まで開くこともできる。このファイバの両端は、それが本発明の代わりの実施の形態として利用されるときには、周囲気体を内部長穴（８９ａ、８９ｂ）に流れ込ませ、また、そこから、中空コア５に流れ込ませるように開放されてもよい。
【００３０】
図７Ｃ〜図７Ｆは、本発明のファイバ・センサの異なる４つの前駆体を示している。図７Ｃに示される前駆体９０では、両側に亘る長穴（９２ａ、９２ｂ）は、中空コア５にも入り込まないし、また、このファイバの側壁にも入り込まない。しかしながら、このような前駆体は、中空コア５を両側に亘る長穴（９２ａ、９２ｂ）から隔て、かつ両側に亘る長穴（９２ａ、９２ｂ）をファイバの側壁から隔てる薄いガラス・ウェブをレーザー切削するか、またはエッチングすれば、本発明のファイバ・センサに容易に転換できる。図７Ｄの実施の形態９４では、ガラスよりも容易にエッチングできるか、あるいはレーザー切削できるガラス組成物を、このファイバの側壁の一部分９６に施して、このクラッドのバランスを形成する。このような設計は、ファイバ製造のプリフォーム・レベルにて、容易に作ることができる。部分９６は、図示されるように、クラッド７の側縁まで延びている。中空コア５は、クラッド７の中心に位置づけられているものとして図示されているが、中空コア５が、中空コア５を周囲環境にさらすのに必要なエッチング量または切削量を最小限に抑えるために、この格子のうちガラス部分９６に近い側面上に位置づけられるように、この実施の形態を変更しても差し支えない。図７Ｅの実施の形態９８は、このファイバの側壁から中空コア５まで長穴を容易にレーザー切削できるか、あるいはエッチングできるように、クラッド７から半径方向に延びている孔列１００を含んでいる。最後に、図７Ｆの実施の形態１０２では、この場合も、このファイバの側壁から中空コア５まで長穴を容易にレーザー切削できるか、あるいはエッチングできるように、ジャケット９の側壁の一部分１０４が除去されている。
【００３１】
図８Ａと図８Ｂは、プリフォーム（１０６、１１０）を示している。これらのプリフォーム（１０６、１１０）は、同一の断面形状を持つ本発明のファイバ・センサを製造するのに、有利に利用されるであろう。図８Ａのプリフォームでは、ファイバ・センサ３のプリフォームの周りに、余分の管状クラッド層１０８が設けられ、また、ファイバ３のうち長穴１３と反対のクラッドに、その管状クラッド層１０８が融着される。プリフォーム１０６からファイバを線引きしている間、中空エリア１０７内の気体の圧力を、プリフォーム１０６の長穴１３が潰れないように選択されたレベルに維持する。このようにして、結果として得られたファイバの中に、レーザー切削も化学的エッチングも必要なく長穴１３が維持される。最終ファイバでは、余分の管状クラッド１０８中に、長穴（図示されてない）または他の開口を切削して、ファイバ長穴１３を周囲雰囲気にさらしてもよい。図８Ｂのプリフォームでは、ファイバ・プリフォーム４５のうち両側に亘る長穴（２８ａ、２８ｂ）と反対の側面上に、余分の管状クラッド層１１２が融着される。プリフォーム１１０からファイバを線引きしている間、中空スペース（１１３ａ、１１３ｂ）内の気体の圧力を、長穴（２８ａ、２８ｂ）が潰れないように選択されたレベルに維持する。線引き工程が終了した後で、余分の管状クラッド層１１２の側面に長穴または他の開口１１４を切削して、周囲雰囲気を、長穴（２８ａ、２８ｂ）に通して、このファイバの中空コア５に入れる。重ねて、この設計の利点は、長穴（２８ａ、２８ｂ）のレーザー切削またはエッチングが不要になることである。実施の形態１０６と実施の形態１１０は両方とも、外側クラッド（１０８、１１２）に長穴または他の開口の切削またはエッチングを必要とするが、そのような長穴または開口は、中空コアに入り込む必要はなく、それゆえ、この長穴または開口は、微細構造クラッド７を通って中空コア５に入り込む長穴を形成する難しさと比べれば、比較的に容易に作られるであろう。さらに、外側クラッドに開口がないときには、そのような設計は、さらに速い応答時間を持つことになる。なぜなら、ボイド１０７またはボイド（１１３ａと１１３ｂ）に含まれる容積がさらに大きくなることで、このファイバを流れる軸方向の流体流れが増すからである。
【００３２】
図８Ｃ〜図８Ｆは、２種（dual）中空コア（１１７ａと１１７ｂ、１２１ａと１２１ｂ、１２６ａと１２６ｂ、１３１ａと１３１ｂ）を持つファイバ・センサの実施の形態（１１６、１２０、１２５、１３０）を示している。２つ以上の中空コアを持つことは、比較される異なるモードを伝導する２つ以上の異なるリッジ・タイプの光導波路の要素を設ければ、潜在的に有用ないくつかの光学効果をもたらすことができる。例えば、２種中空コア（１１７ａと１１７ｂ、１２１ａと１２１ｂ）を通じて伝導されるモードの相対強度の比較を利用して、ファイバ・センサ（１１６と１２０）の側面を通る標的の気体または他の流体の流れ方向を決定してもよい。図８Ｅの実施の形態１２５では、２種中空コア（１２１ａと１２１ｂ）内で周囲環境にさらされたり、周囲環境から隔離されたりするモードの相対強度がそれぞれ比較してもよい。それゆえ、中空コア１２６ｂを通じてのモード強度の測定は、長穴１２８を介して周囲環境にさらされる中空コア１２６aの基準として働くであろう。図８Ｆの実施の形態１３０では、２種中空コア（１３１ａと１３１ｂ）内で周囲環境の異なる側にさらされるモードの相対強度をそれぞれ比較してもよい。これは、長穴（１３３ａと１３３ｂ）が、それらのそれぞれの中空コアを、このファイバ・センサの両側の周囲環境にさらすからである。
【００３３】
図９Ａ〜図９Ｃは、ファイバの平らな側の部分が除去されて、１つまたは複数の中空コア（１３９、１４３ａと１４３ｂ、１４６）を周囲環境にさらしていることで、「Ｄ」字形の断面を、これらのファイバのそれぞれに与えるファイバ・センサの実施の形態（１３５、１４２、１４５）を示している。露出されてないコア１３７を実施の形態１３５内に設けることで、図８Ｅに関して述べられたものと同じやり方で、上記露出された中空コア１３９を通じて伝導されるモードとの比較基準を確立する機会が与えられる。図９Ｂの実施の形態内に２つの露出されたコア（１４３ａ、１４３ｂ）に設ける作業は、図８Ｃの実施の形態に関して述べられたやり方で取り扱ってよい。実施の形態１３５、１４２、および１４５はすべて、ほぼ瞬時の応答時間という利点を持っているが、これらのファイバ・センサの外壁の平らな側の部分を除去することで与えられる無限に幅の広い長穴は、あいにく、このモードにファイバが及ぼす結合量を減らし、それゆえ、信号損失を悪化させてしまう。しかしながら、図１０に示されるやり方で、Ｄ字形の断面の平らな側１５５ａがコイルまたは螺旋体１５７の内側にくるようにし、また、その丸い側１５５ｂがコイルまたは螺旋体１５７の外側にくるようにして、このようなファイバ・センサ（１３５、１４２、１４５）をコイル状に巻くことで、上記の信号損失のほとんどを補償することができる。このような曲げは、この光路の偏倚を、中空コアに向けてさらに多くし、また、この導波路のスラブを形成する平らな側に向けてさらに少なくすることで、その光学モードを、中空コアで画成される導波路のリッジにさらにきっちりと閉じ込める。しかしながら、このような曲げが効果的であるためには、曲げ半径は、その光学モードの閉じ込めを著しく向上させるように、所定の値よりも小さくなければならない。
【００３４】
図１１Ａ〜図１１Ｃは、それぞれ１０００ｍｍ、１０ｍｍ、５ｍｍの曲げ半径にて、基本モードの光強度グラフの１０％、３０％、５０％、７０％、９０％の光等高線のコンピュータ・シミュレーションであって、一般に曲げ半径が小さくなるにつれて、どの程度、モード閉じ込めが向上するのか示している。図１１Ａ〜図１１Ｃ中の構造１６０は、不連結な三角要素１６１から成っているが、そのような構造は、非常に高い空気充満割合を持つ実構造への優れた近似構造である。これらのシミュレーションは、そのようなＤ字形輪郭のファイバを、少なくとも約１０ｍｍの曲げ半径で、さらに好ましくは５ｍｍの曲げ半径でコイル状に巻くことで、かなりの量の損失を補償できることを示している。もちろん、この曲げ半径は、このファイバ・センサの直径で制約される。これは、さらに大きい直径のファイバは、或る限界半径未満で曲げられると、折れやすいからである。よって、５０マイクロメートル〜１５０マイクロメートルのファイバ直径が一般に好ましい。また約７０マイクロメートル〜８０マイクロメートルのファイバ直径がもっとも好ましい。このような直径（半径）の範囲を選択するのは、以下の解析の結果である。
【００３５】
最小機械曲げ半径。曲げに起因する応力により、所与の用途におけるファイバの許容寿命よりも短い時間に破壊がもたらされることになる限界曲げ半径。ファイバを曲げると、その屈曲部の外側は引張り応力を受け、また、その内側は圧縮応力を受ける。この曲げ応力は、以下のように計算できる：
σ曲げ＝Ｅ（ｒｆ／Ｒ）
ここで、Ｅ＝ヤング率＝１０４４０ｋｐｓｉ（７２ＧＰａ）
ｒｆ＝ファイバ半径
Ｒ＝曲げ半径
次に、このような応力のもとに、以下の単純なベキ乗則モデル（simple power law model）を使用して、破壊までの時間を近似的に計算できる：
Ｔｆ＝（σｐ／σａ）ｍ
ここで、Ｔｆ＝破壊までの時間（秒）
σｐ＝耐力試験の応力
σａ＝加え応力＝曲げ応力すなわちσ曲げ
ｍ＝疲労計数（一般に、標準ファイバに対して２０）
本出願に具現されるファイバでは、本発明者等は、複雑な表面形状のために、ｍが著しく減らされるものと予想する。破壊までの時間を向上させる一方法は、ファイバ半径ｒｆを減らし、それにより、曲げ応力を減らすことである。
【００３６】
図１１Ａ〜図１１Ｃに使用される構造１６０は、マルチモード・コア１６２の一例である。いくつかの用途（干渉計検出を含む）では、リッジ導波路の中空コア内でシングルモード伝搬を持つことが有利であるかもしれない。しかしながら、速い応答時間と高感度を得るためには、多くの光学モードをサポートする広いコア（図１１Ａに示される通り）を持つことが有利であろう。
【００３７】
図１２Ａと図１２Ｂは、従来のフォトニック・バンドギャップ・ファイバの光学モードと対照して、本発明のファイバ・センサの光学モードを示している。前に示されたように、フォトニック・バンドギャップ・ファイバの側壁中の長穴（１つまたは複数）は、リッジ・タイプのフォトニック導波路のスラブを提供する。次に、このエア・スラブは、図１２Ａと図１２Ｂを比較するとわかるように、従来のフォトニック・バンドギャップ・ファイバに関連するモードと比べて、多くの新たなスラブ・モードＢをこのバンドギャップに引き入れる。しかしながら、図１２Ｂのグラフは、これらのモードがコア誘導モードＣと交差しないことも示しており、さらに、そのことは、上記の新たなモードとコア誘導モードＣとの結合が、最小となって、本発明のファイバ・センサで発生するどんな信号も減衰させたり、歪ませたりするようにはたいして作用しないことを示している。
【００３８】
最後に、図１３Ａ〜図１３Ｆは、本発明の同一の実施の形態の異なる誘導モードを示している。図１３Ａと図１３Ｂは、コア内にのみ導かれるモードを示しているが、一方、図１３Ｃと図１３Ｄは、コアとスラブの両方に導かれるモードを示している。図１３Ｅと図１３Ｆは、もっぱらスラブに導かれるモードを示している。
【００３９】
図１３Ａ〜図１３Ｆに示される光学モードに加えて、この構造の内面境界に沿ってさらなる光学モードが存在する。これらのさらなる光学モードは、表面モードと呼ばれており、それらは、適切な表面終端を選択したときだけ存在する。図１３Ａでは、周期格子から材料の真円を切削すれば、コアを形成できることがわかる。存在する空孔がその構造を画成するために、このように材料を除去することにより、溝削りされた形状が後に残される。同様に、周期格子から長方形の長穴を切削すれば、スラブを形成でき、それにより、溝削りされた通気路（air channel）が後に残される。格子の周期性に対する前述の円と長方形の相対的位置が、コアおよびスラブの領域内に表面終端を定める。その表面終端は、このリッジ導波路の一部にのみ表面モードが存在するように、これらの領域内で異なっていてもよい。これらの表面モードは、その構造の表面との相互作用を向上させ、したがって、リッジ導波路面を材料で被覆して、例えば、化学結合により標的化学種の存在を検出することが有利であろう。
【００４０】
図１〜図１３中の実施の形態は、ファイバ線引き工程、押出工程、直接切削加工（例えば、穴あけまたはフライス削り（ミリング））、または半導体デバイスの製造において見出されるプレーナ処理技術を用いて、製作することができる。センサ３の設計は、本発明の利点を維持しながら、それらの処理要件に適合するように修正してよい。平面の形状では、このデバイスは、最終的な所期スケールにて製作してよい。ファイバの形状では、この構造は、本発明に必要な性質を実現するために、所望のスケールを得るようにサイズを小さくできる巨視的プリフォーム（macroscopic preform）で製作することができる。
【００４１】
本発明は、いくつかの特定の例に関して述べられてきたが、本発明の多くの変形、変更、追加が、当業者には明らかになろう。このような変形、変更、追加はすべて、併記の特許請求の範囲と、それらと同等なものによってのみ制限される本発明の範囲内に含まれることになっている。
【符号の説明】
【００４２】
１    光導波路センサ
３，２５，２７，２９，３２，３６，３８，４２，４５，４８，５２，５５６０，０２，６５，６７，７０，７４，８０，８２，８５，８８，９０，９４，９８，１０２    フォトニック・バンドキャップ・ファイバ（センサ）
５，７５，１１７ａ，１１７ｂ，１２１ａ，１２１ｂ，１２６ａ，１２６ｂ，１３１ａ，１３１ｂ    中空コア
７    クラッド
８    空孔
１１    細長い側面開口
１３，２８ａ，２８ｂ，３０ａ，３０ｂ，３４，３７ａ，３７ｂ４０，４４，４７ａ，４７ｂ，５０ａ，５０ｂ，５３，５７ａ，５７ｂ，６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６３ａ，６３ｂ，６３ｃ，６６ａ，６６ｂ，６６ｃ，６８ａ，６８ｂ，７１ａ，７１ｂ    長穴
１７    光源
１９    ビーム
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図２Ｇ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図７Ｆ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図８Ｆ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１３Ｄ】
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【図１３Ｅ】
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【図１３Ｆ】
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【国際調査報告】
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