(57)【要約】      （修正有）【課題】高後方散乱導波路を提供する。【解決手段】高後方散乱導波路は、長さ方向の屈折率変動による摂動区間を備え、１ｎｍより広い帯域内範囲と、帯域内範囲内の性能指数（ＦＯＭ）がＦＯＭ＞１であって、レイリー散乱を上回る３デシベル（ｄＢ）よりも大きい相対電力を反射する。高後方散乱ファイバはまた、０．５ｄＢよりも小さい結合損失を示す。【選択図】図１Ａ
2017032979.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有効屈折率ｎｅｆｆと、
開口数ＮＡと、
散乱
【数１】
2017032979.tif 000043
と、
全伝送損失αｆｉｂｅｒと、
１ｎｍより広い帯域内範囲と、
帯域内範囲内の性能指数（ＦＯＭ）であって、ＦＯＭ＞１であり、
【数２】
2017032979.tif 000044
と定義されたＦＯＭと
を備える光ファイバ。
【請求項２】
前記帯域内範囲が約１４５０ｎｍから約１６５０ｎｍである、請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項３】
Ｇ．６５２標準に準拠した光ファイバに接続される場合に前記帯域内範囲内で０．２ｄＢよりも小さい結合損失をさらに備える請求項２に記載の光ファイバ。
【請求項４】
前記帯域内範囲内で−９９ｄＢ／ｍｍよりも大きい全後方散乱、及び
前記帯域内範囲内で２ｄＢ／ｋｍよりも小さい伝送損失
をさらに備える請求項２に記載の光ファイバ。
【請求項５】
前記帯域内範囲内で−９９ｄＢ／ｍｍよりも大きい全後方散乱、及び
前記帯域内範囲内で１０ｄＢ／ｋｍよりも小さい伝送損失
をさらに備える請求項２に記載の光ファイバ。
【請求項６】
Ｇ．６５２標準に準拠した光ファイバに接続される場合に前記帯域内範囲内において０．２ｄＢよりも小さい結合損失をさらに備える請求項４の光ファイバ。
【請求項７】
２０ｃｍよりも長い長さをさらに有する請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項８】
前記ＦＯＭが２よりも大きい、請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項９】
帯域外範囲、及び
前記帯域外範囲内の波長を有する光ポンプ
をさらに備える請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項１０】
動作波長範囲
前記動作波長範囲内で−９９Ｂ／ｍｍよりも大きい全後方散乱、及び
前記動作波長範囲内で２Ｂ／ｋｍよりも小さい伝送損失
を備える高後方散乱光ファイバ。
【請求項１１】
Δλ≧１ｎｍである帯域幅（Δλ）、
γｉｎ−ｂａｎｄ≧１０ｄＢである帯域内反射率増大因子（γｉｎ−ｂａｎｄ）、及び
δｏｕｔ−ｏｆ−ｂａｎｄ≧２ｄＢである帯域外反射率抑制因子（δｏｕｔ−ｏｆ−ｂａｎｄ）
をさらに備える請求項１０の高後方散乱ファイバ。
【請求項１２】
伝送ファイバに接続される場合に０．５デシベル（ｄＢ）よりも小さい結合損失、及び
レイリー散乱を上回る３ｄＢよりも大きい相対電力の反射（Ｒｐ→ｒ（λ，ｚ，ｌ））をもたらす屈折率摂動（Δｎ（ｘ，ｙ，ｚ））を備える摂動を受ける区間
を備える高後方散乱ファイバ。
【請求項１３】
【数３】
2017032979.tif 000045
を満たし、
ｌは積分長を表し、
ｎｅｆｆ．ｐはｐに対応する有効屈折率であり、
ｎｅｆｆ．ｒはｒに対応する有効屈折率であり、
μｐ，ｒは以下のようなモーダル重複係数
【数４】
2017032979.tif 000046
であり、
Ｅｐ（ｘ，ｙ）はｐの固有モードであり、
Ｅｒ（ｘ，ｙ）はｒの固有モードであり、
【数５】
2017032979.tif 000047
はＥｒ（ｘ，ｙ）の共役転置である、請求項１２に記載のファイバ。
【請求項１４】
１５４２．５ｎｍ≦λ≦１５５７．５ｎｍの波長（λ）について、Ｒｐ→ｒ（λ，ｚ，ｌ）がレイリー散乱を上回る１０ｄＢよりも大きい、請求項１２に記載のファイバ。
【請求項１５】
光ポンプをさらに備え、該光ポンプはレイリー散乱を上回る３ｄＢよりも大きい相対電力の波長範囲の外側の波長を有する、請求項１２に記載のファイバ。
【請求項１６】
ｎ（ｔｏｔａｌ）（ｘ，ｙ，ｚ）＝ｎｘ，ｙ（ｘ，ｙ）＋Δｎ（ｔｏｔａｌ）（ｘ，ｙ，ｚ）を満たし、
ｎｘ，ｙ（ｘ，ｙ）は摂動しない屈折率であり、
Δｎ（ｔｏｔａｌ）（ｘ，ｙ，ｚ）＝Δｎ（Ｒａｙｌｅｉｇｈ）（ｘ，ｙ，ｚ）＋Δｎ（ｘ，ｙ，ｚ）であり、
Δｎ（ｘ，ｙ，）は屈折率摂動の横方向依存性であり、
Δｎｚ（ｚ）は屈折率摂動の長手方向依存性である、請求項１２に記載のファイバ。
【請求項１７】
Δｎ（ｘ，ｙ，ｚ）≧２・１０−７、及び
前記センサが１１９．５センチメートル（ｃｍ）を超える全センサ長を有する、請求項１６に記載のファイバ。
【請求項１８】
Δｎ（ｘ，ｙ，ｚ）≧２・１０−７、及び
波長（λ）範囲１５５０±７．５ナノメートル（ｎｍ）においてＲｐ→ｒ（λ，ｚ，ｌ）≧−８０ｄＢ／ｍｍであり、
ｌ＝１ミリメートル（ｍｍ）である、請求項１６のファイバ。
【請求項１９】
Δｎ（ｘ，ｙ，ｚ）≧２・１０−６、
ｌ≒３ミリメートル（ｍｍ）、
波長（λ）範囲１５５０±７．５ナノメートル（ｎｍ）においてＲｐ→ｒ（λ，ｚ，ｌ）≧−６０ｄＢ・（１／ｍｍ）である、請求項１６に記載のファイバ。
【請求項２０】
Δｎ（ｘ，ｙ，ｚ）≧２・１０−７である、請求項１６に記載のファイバ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願への相互参照
本出願は、２０１５年６月８日出願の米国仮特許出願第６２／１７２３３６号、Ｋｒｅｍｐ  ａｎｄ  Ｗｅｓｔｂｒｏｏｋによる、発明の名称「Ｈｉｇｈ  Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  Ｆｉｂｅｒ」の利益を主張し、その全体が参照によりここに取り込まれる。
【背景技術】
【０００２】
本開示は、概略として導波路に関し、より具体的には高後方散乱導波路に関する。
【０００３】
様々な光検知法は、導波路に沿った温度又は歪などの物理量の測定を導波路からの後方散乱信号の測定に依存している。例えば、光周波数領域反射測定（ＯＦＤＲ）又は光時間領域反射測定（ＯＴＤＲ）では、光ファイバに沿った温度又は歪は、後方散乱に基づいて測定可能である。これらの測定精度及び繰返し率を向上するために、後方散乱信号の信号対雑音比（ＳＮＲ）を向上する取組みが行われている。
【発明の概要】
【０００４】
本開示は、高後方散乱導波路（例えば光ファイバ）及び高後方散乱光ファイバを利用するセンサを提供する。簡潔に記載すると、一実施形態は、レイリー散乱を上回る３デシベル（ｄＢ）よりも大きい相対電力を反射する高後方散乱ファイバを備える。ある実施形態では、高後方散乱ファイバは、０．５ｄＢよりも小さい結合損失も示す。
【０００５】
他のシステム、装置、方法、構成及び効果が、以降の図面及び詳細説明を検討すれば、当業者に明らかであり、又は明らかとなる。全てのそのような追加のシステム、装置、方法、構成及び効果が、この説明に含まれ、本開示の範囲内であり、添付の特許請求の範囲により保護されることが意図されている。
【０００６】
本開示の態様の多くは、以降の図を参照してより良く理解できる。図面の構成要素は、必ずしも寸法通りではなく、本開示の原理を明解に説明するように強調がなされている。さらに、図面において、同様の符号は、いくつかの図を通して対応する部分を指す。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１Ａ】図１Ａは、波長範囲１５５０±７．５ナノメートル（ｎｍ）において１ｍｍにつき（１／ｍｍ）設計レベル−８０デシベル（ｄＢ）の後方散乱を有する１１９．５センチメートル（ｃｍ）長のファイバ区間における積分長が１ミリメートル（ｍｍ）である一実施形態についての反射率を示すグラフである。後方散乱の増大が全測定（例えばＯＦＤＲ又はＯＴＤＲ）帯域幅に亘って持続する最短積分長は、測定システムの達成可能な空間分解能についての下限に近い。
【図１Ｂ】図１Ｂは、波長範囲１５５０±７．５ナノメートル（ｎｍ）において１ｍｍにつき（１／ｍｍ）設計レベル−８０デシベル（ｄＢ）の後方散乱を有する１１９．５センチメートル（ｃｍ）長のファイバ区間における積分長が１ミリメートル（ｍｍ）である一実施形態についての反射率を示すグラフである。後方散乱の増大が全測定（例えばＯＦＤＲ又はＯＴＤＲ）帯域幅に亘って持続する最短積分長は、測定システムの達成可能な空間分解能についての下限に近い。
【図２Ａ】図２Ａは、波長範囲１５５０±７．５ｎｍにおいて１ｍｍにつき設計レベル−８０ｄＢの後方散乱を有する１１９．５ｃｍ長のファイバ区間における積分長が３０ｍｍである一実施形態についての反射率を示すグラフである。
【図２Ｂ】図２Ｂは、波長範囲１５５０±７．５ｎｍにおいて１ｍｍにつき設計レベル−８０ｄＢの後方散乱を有する１１９．５ｃｍ長のファイバ区間における積分長が３０ｍｍである一実施形態についての反射率を示すグラフである。
【図３Ａ】図３Ａは、波長範囲１５５０±７．５ｎｍにおいて１ｍｍにつき設計レベル−６０ｄＢの後方散乱を有する２９．４ｃｍ長のファイバ区間における積分長が約０．３ｍｍ（より正確には０．２９９ｍｍ）である一実施形態についての反射率を示すグラフである。
【図３Ｂ】図３Ｂは、波長範囲１５５０±７．５ｎｍにおいて１ｍｍにつき設計レベル−６０ｄＢの後方散乱を有する２９．４ｃｍ長のファイバ区間における積分長が約０．３ｍｍ（より正確には０．２９９ｍｍ）である一実施形態についての反射率を示すグラフである。
【図４Ａ】図４Ａは、波長範囲１５５０±７．５ｎｍにおいて１ｍｍにつき設計レベル−６０ｄＢの後方散乱を有する２９．４ｃｍ長のファイバ区間における積分長が１ｍｍである一実施形態についての反射率を示すグラフである。
【図４Ｂ】図４Ｂは、波長範囲１５５０±７．５ｎｍにおいて１ｍｍにつき設計レベル−６０ｄＢの後方散乱を有する２９．４ｃｍ長のファイバ区間における積分長が１ｍｍである一実施形態についての反射率を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
レイリー散乱（前方散乱及び後方散乱の双方）は、全ての光ファイバで発生し、十分に実証された現象である。一般的な光ファイバは、数十ナノメートル規模のランダムな屈折率変動を示す。これらの変動は、いわゆるレイリー散乱を原因とし、それは引出し処理の間にファイバに凍結された熱変動から発生する。その存在により、多くの検知用途に有用なコア誘導光に対する後方散乱信号、及び伝送光の損失をもたらす非誘導光への光散乱の双方が発生する。レイリー散乱は、通常非常に広帯域で、波長（λ）の逆４乗（λ−４）に（非常に小さい散乱中心の限度内で）略比例する相対的に低い強度を有する。
【０００９】
光ファイバに沿った温度及び歪などの物理量は、光周波数領域反射測定（ＯＦＤＲ）及び光時間領域反射測定（ＯＴＤＲ）など、レイリー後方散乱を測定する光検知法を使用して測定可能である。多くの測定値におけるように、高い信号対雑音比（ＳＮＲ）によって精度及び繰返し率が高くなる。
【００１０】
後方散乱信号のＳＮＲを増加させる１つの方法は、コアドーパントレベルを増加させることによってレイリー散乱をもたらす密度変動を高め、測定可能な後方散乱を増加させることである。しかし、コアドーパントレベルの増加によって、ファイバの全体的な損失が増加し、それにより達成可能なＳＮＲが制限される。さらに、増加したドーパントレベルは、マルチコアファイバ、低複屈折ファイバ、偏波保持性を有するファイバ及び他の厳しい要求の設計などの複雑なファイバプロファイルに対してしばしば要求される設計の柔軟性を低下させる。これらの複雑な設計はモード有効屈折率、コア配置、対称性、偏心率及びファイバコア楕円率の正確な制御を必要とするため、ドーパントレベルを増加させることによって後方散乱を制御することは困難であり、後方散乱の検知のために使用される損失の多い同じ導波路を介して光信号が伝送されてしまう。
【００１１】
高後方散乱光ファイバ及び高後方散乱光ファイバを有するセンサは、ここで開示されるように、導波路の他の特性に重大な影響を及ぼすことなく後方散乱を増加させる解決方法を提供する。これは、屈折率の摂動を作り出す適切な空間パターンの適用により、屈折率を変更又は修正することにより達成され、それは（ａ）（単一及び複数の双方の波長範囲に対して）所望の波長（帯域内）の１以上の範囲内にレイリー散乱を上回る３又は好ましくは１０デシベル（ｄＢ）よりも大きい反射をもたらすが、（ｂ）信号の完全性を維持し標準シングルモード又はマルチモードファイバで０．５ｄＢ又は好ましくは０．２ｄＢよりも小さい結合損失を示す。換言すれば、コアの屈折率において紫外線（ＵＶ）光により誘発される長手方向の摂動など、適切な空間パターンを適用することによって、高後方散乱光ファイバは、所望の範囲の外側（帯域外）で所望の長手方向分解能長で観察されるレイリー散乱を少なくとも３ｄＢ又は好ましくは少なくとも１０ｄＢ上回る後方散乱信号を（波長の１つの所望範囲又は複数所望範囲内（帯域内）で所望の長手方向分解能長において）達成することができる。以下にさらに詳しく示すように、光後方散乱と（帯域内にわたって平均化された）伝送中に失われる電力との比は、レイリー散乱のみに依存する標準シングルモードファイバについて測定される値の２倍、好ましくは１０倍よりも大きい。
【００１２】
屈折率プロファイルを変更する１つの方法は、光ファイバ導波路を化学線の影響下におくことである。化学線はＵＶ、ＩＲ又は他の電磁放射線を含み得る。そのような化学線の影響を受けると、光導波路の屈折率は修正される。そのような修正は、導波路により誘導される光の後方散乱を増加させ得る。強められた後方散乱のスペクトルは、屈折率修正の空間構造に依存する。例えば、変調又は非変調のＵＶビームに曝されると、後方散乱の広帯域の増加がもたらされ得る。一方、後方散乱の狭帯域の増加には、化学線の光感度と放射線量（強度の時間積分）の積が導波路に沿って変化することが必要である。より正確には、この積の（導波路に平行な方向のある長さｌに沿って長手方向位置ｚの近傍での）空間フーリエ変換が、誘導される光の半波長である（すなわち、自由空間波長λを導波路の有効屈折率の２倍で割った）周期λ／（２ｎｅｆｆ）において重要な構成要素を有する場合には、誘導される光は、位置ｚで露出されていない導波路においてそのような光が受けるものを超えて増加した後方反射を受ける。例えば、ＵＶビームの累積放射線量が約５００ｎｍの周期で導波路軸に沿って変動するようなファイバ導波路上に波長２００ｎｍのＵＶビームが向けられる場合、結果として得られる屈折率修正は、波長１０００ｎｍ付近の誘導光について増加した散乱をもたらすことになる。シリカ導波路については、そのような波長は約１５００ｎｍの真空波長に対応することになる。空間変動は、例えば位相マスクからの干渉縞、ポイントごとの書込み、拡散した散乱要素及びフェムト秒システムなどの様々な光技術によって化学線ビームに課され得る。
【００１３】
他の導波路特性に重大な影響を与えない高後方散乱ファイバの概略を記載してきたが、高後方散乱ファイバの具体的な実施形態を、以下にその設計基準とともにより詳細に説明し、図面を参照してそのような高後方散乱ファイバの達成可能な結果を説明する。いくつかの実施形態がここで記載されるが、本開示をその実施形態又はここで開示される実施形態に限定するものではない。逆に、意図されているのは、全ての代替例、変更例及び均等物を含むことである。
【００１４】
説明の目的で、一実施形態において、信号（ｐ）を伝搬し、反射信号（ｒ）を逆方向に伝搬することが可能な高後方散乱ファイバを説明する。ファイバの長手方向軸をｚとして示し、一方導波路軸に垂直な横方向軸をｘ及びｙとして示す。
【００１５】
一般性を失わずに、高後方散乱ファイバの全屈折率プロファイルｎ（ｔｏｔａｌ）（ｘ，ｙ，ｚ）をｚに独立な項ｎｘ，ｙ（ｘ，ｙ）及びｚに従属な項Δｎ（ｔｏｔａｌ）（ｘ，ｙ，ｚ）の和として記載する。
【数１】
2017032979.tif 000003
ファイバの屈折率プロファイルのいずれの摂動も、ファイバにすでに存在するいずれかのレイリー散乱に加わるので、式（１）における項Δｎ（ｔｏｔａｌ）（ｘ，ｙ，ｚ）は、レイリー散乱をもたらす屈折率変動Δｎ（Ｒａｙｌｅｉｇｈ）（ｘ，ｙ，ｚ）及び付加的な屈折率摂動Δｎ（ｘ，ｙ，ｚ）の和である。
【数２】
2017032979.tif 000004
当業者であれば、式（２）におけるｚに独立な摂動項Δｎ（ｘ，ｙ，ｚ）は、ファイバ引出し中又はその後などの他のファイバ作製工程とは独立に適用され得ることを理解するはずである。特に、ファイバのある区間では、Δｎ＝０となり得る。
【００１６】
数学的モデリングを可能な限り簡単にしておくために、式（２）の摂動項Δｎを横軸座標（ｘ，ｙ）及び長手方向位置ｚに個々に依存する２項の積として記載できるものとする。
【数３】
2017032979.tif 000005
【００１７】
換言すれば、屈折率摂動項の（ｘ，ｙ）依存性は、ｚに沿って変化しないものと仮定する。例えばファイバ作製の不正確さ又は先細りの存在下においてこの仮定が妥当でない場合、高後方散乱ファイバはなお可能であるが、数学的モデリング（以下の式（５／６）参照）をさらに伴うことになる。
【００１８】
式（１〜３）を合わせて、全屈折率分布を得る。
【数４】
2017032979.tif 000006
【００１９】
Ｅｐ（ｘ，ｙ）及びｎｅｆｆ，ｐそれぞれによって、固有モード、及び式（１）においてｚに独立な屈折率プロファイルｎｘ，ｙ（ｘ，ｙ）によって記載された導波路の対応の有効屈折率を表す。一実施例は、シリンダ形状の光ファイバの基本モードｐ＝ＬＰ０，１である。以降の数学的記述をさらに単純化するため、ｚに依存する屈折率項Δｎ（ｔｏｔａｌ）（ｘ，ｙ，ｚ）の存在が固有モード及び有効屈折率を大きく変化させないものと仮定する。例えば導波路の短い区間に沿って屈折率摂動が強い場合でこの仮定が妥当でない場合、高後方散乱ファイバはなお可能であるが、数学的モデリング（以下の式（５／６）参照）をさらに伴うことになる。
【００２０】
Ｒｐ→ｒ（λ，ｚ，ｌ）を用いて、波長λで長さｌの区間の位置ｚにおける付加的な屈折率摂動Δｎ（ｘ，ｙ，ｚ）に起因する、ファイバモードＥｐから逆方向伝搬モードＥｒへの単位長あたりの反射されている相対電力量を表す。Ｒｐ→ｒ（λ，ｚ，ｌ）は、単位ｌ／ｍを有し、実際は反射密度であるが、便宜上「相対反射電力」、「反射率」又は「改良後方散乱」ということがある。選択された積分長ｌが十分短いか、又は式（３）のΔｎ（ｘ，ｙ，ｚ）が十分に弱い場合、長さｌに沿ったマルチパス干渉（ＭＰＩ）の影響を無視することができ、単独の区間長ｌからの相対反射電力Ｒｐ→ｒ（λ，ｚ，ｌ）は：
【数５】
2017032979.tif 000007
によって近似的に与えられ、ｎｅｆｆ，ｐは前方伝搬モードＥｐの有効屈折率であり、ｎｅｆｆ，ｒは後方伝搬モードＥｒの有効屈折率である。数値的に、式（５）の積分は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）アルゴリズムを用いて効率的に求められる。式（５）のモーダル重複係数μｐ，ｒは、
【数６】
2017032979.tif 000008
として定義され、ここでアスタリスク記号（＊）は複素共役を表す。このモーダル重複係数μｐ，ｒは、２つの検討されたモードEｐ及びEｒのモード結合関連の横方向特性並びに屈折率分布を概ね表す。Ｒｐ→ｒ（λ，ｚ，ｌ）は、例えば、市販のＯＦＤＲシステム（ＯＦＤＲシステムによってはｌを積分幅という）を用いて測定され得る。
【００２１】
【数７】
2017032979.tif 000009
を用いて、波長λ及び位置ｚにおけるファイバモードEｐから逆方向伝搬モードEｒのレイリー後方散乱を表し、それは非干渉的に付加されることがよく知られており、それゆえ積分長ｌに対して独立である。レイリー及び改良後方散乱が同様に非干渉的に付加されるものと仮定すると、ファイバの全後方散乱は近似的に、
【数８】
2017032979.tif 000010
によって与えられる。
【００２２】
改良後方散乱反射率Rｐ→ｒ（λ，ｚ，ｌ）に対してあり得る制約は、レイリー散乱
【数９】
2017032979.tif 000011
と同様に、Rｐ→ｒ（λ，ｚ，ｌ）が（ａ）盲点を避けるため導波路に沿った全ての位置ｚにおいて存在すべきであること、Rｐ→ｒ（λ，ｚ，ｌ）が（ｂ）積分長ｌからほぼ独立しているべきこと、すなわち後方散乱強度は検討される積分長ｌに対して線形的に拡縮すべきであること、及び／又は広帯域レイリー散乱
【数１０】
2017032979.tif 000012
とは異なり、改良後方散乱Rｐ→ｒ（λ，ｚ，ｌ）が（ｃ）化学線の要求される放射線量、及び誘導光に対して誘発される更なる伝送損失を可能な限り低く保つように、問合せ方式（ＯＴＤＲ、ＯＦＤＲなど）の帯域幅と等しくなり得る好ましくは十分に制御された範囲の波長（帯域内）にのみ存在すべきでこと、である。いずれのモーダル重複係数μｐ，ｒ及び目的関数Rｐ→ｒ（λ，ｚ，ｌ）についても、これらの制限の全部又は一部を満たす長手方向の屈折率分布Δｎｚ（ｚ）は、近似式（５）をΔｎｚ（ｚ）について、例えば逆フーリエ変換を使用し、式（５）の右辺の積分の位相について適切な仮定を使用して解くことにより見出すことができる。式（３）のΔｎ（ｘ，ｙ，ｚ）が十分に弱くない場合、マルチパス干渉（ＭＰＩ）の影響を無視できず、式（５）は実用的な目的に対して十分に正確ではないことがある。この場合、マクスウェルの方程式のフレームワークにおける導波路の検討区間における反射及び入射波に関する一層時間のかかる逆散乱問題を解いてΔｎｚ（ｚ）を見出す必要がある。
【００２３】
本発明の散乱における改良も、光ファイバの後方散乱及び伝送損失のよく知られた依存性から理解され得る。例えば、他の文献（Ｎａｋａｚａｗａ（ｉｎ  ＪＯＳＡ７３（１９８３），１１７５−１１８０）及びＰｅｒｓｏｎｉｃｋ（ｉｎ  Ｂｅｌｌ  Ｔｅｃｈ  Ｊ．５６（１９７７），３５５−３６６など）は、レイリー散乱のために単位長あたりの伝送で失われた電力の割合が、通常λ−４に比例するレイリー散乱係数αＲａｙｌｅｉｇｈ（λ，ｚ）によって与えられることを証明した。コアが誘導した、ファイバの所与の長さからの後方散乱信号は、αＲａｙｌｅｉｇｈ及びファイバ再捕捉割合に比例し、ファイバ再捕捉割合は、ファイバの開口数の二乗ＮＡ２に比例することも知られている。Ｅｐがファイバの基本モードであり、Ｅｒが逆方向伝搬の基本モードである場合：
【数１１】
2017032979.tif 000013
となる。ここで、
【数１２】
2017032979.tif 000014
は、単位長（ファイバ基本モードＥｐから逆方向伝搬の基本モードＥｒまで）について後方散乱した光の相対割合であり、ｎｅｆｆはモードの有効屈折率である。よって、レイリー散乱係数の増加に起因して後方散乱を増加させる任意のファイバ設計は、（基本モードＥｐにおいて）伝送損失も増加させる。現実的なファイバでは、レイリー散乱による損失は、他の伝送損失を伴う。すなわち、単位長あたり失われた電力の全割合は：
【数１３】
2017032979.tif 000015
である。ここで、αｎｏｎ−Ｒａｙｌｅｉｇｈは、ＵＶ吸収、ＩＲ吸収又はミー散乱などのレイリー散乱以外のメカニズムへの伝送で失われた電力の割合である。そこで、一般に任意のファイバについて、ファイバの所与の長さを考慮し、（ファイバの基本モードＥｐから逆方向伝搬の基本モードＥｒまで）後方散乱される光、及びその長さを通る（ファイバモードＥｐにおいて）伝送で失われる光を測定することによって、性能指数が導出される。ＮＡの影響を正規化するために、次の性能指数（ＦＯＭ）がこれらの測定量から計算され得る。
【数１４】
2017032979.tif 000016
【００２４】
後方散乱される光
【数１５】
2017032979.tif 000017
は、例えば光周波数又は時間領域反射測定を用いて測定され得る。総伝送損失αｆｉｂｅｒは、標準的なファイバ損失カットバック測定によって測定され得る。レイリー散乱のみを有する理想的なファイバについては、ＦＯＭ＝１である。レイリー散乱以外の損失メカニズムを有する理想的ではないファイバについては、ＦＯＭ＜１である。本特許の発明は、概してＦＯＭ＞１であり、好ましくはＦＯＭ＞２であり、又は波長λの少なくともある範囲についてさらに大きい。
【００２５】
好ましくは、ある実施形態については、Ｒｐ→ｒ（λ，ｚ，ｌ）は、ファイバの自然レイリー散乱を上回る１０ｄＢよりも大きい場合に、十分に強いと考えられる。標準シングルモードファイバの場合には、自然レイリー散乱レベルは、およそ
【数１６】
2017032979.tif 000018
である。１０を底とする対数を適用して１０倍し、１０ｌｏｇ１０（６・１０−１１）＝−１０２．２２を得る。これは単位デシベル（ｄＢ）について使用されるのと同じ手順であり、この値を−１０２ｄＢ／ｍｍ（又は、６・１０−１１／ｍｍ＝６・１０−８／ｍ及び１０ｌｏｇ１０（６・１０−８）＝−７２．２２により、等価的に−７２ｄＢ／ｍ）と表すのが一般的である。
【００２６】
ファイバの全長Ｌに関しては、これはメートル（ｍ）オーダーからキロメートル（ｋｍ）オーダーとなり得るが、全てのλについて、すなわち−２０ｄＢを下回る全後方散乱レベルについてＲｐ→ｒ（λ，ｚ，ｌ）・Ｌ＜０．０１の場合にＭＰＩは通常無視できる。
【００２７】
当業者であれば、式（５）のΔｎｚ（ｚ）を適合する能力によって、他の信号伝送及び反射特性、例えば損失、非線形性又はモードフィールド径などに重大な影響を与えずに後方散乱の総量を適合する対応の能力がもたらされることを理解するはずである。
【００２８】
明確化すると、適合された摂動Δｎ（ｘ，ｙ，ｚ）は、その横方向特性、長手方向特性及びスペクトル特性に関して、いくつかの要件を満たすべきである。例えば、Δｎ（ｘ，ｙ，ｚ）は、問合せ信号が前方及び後方に伝搬するモードＥｐ及びＥｒに対する最小損失量のみをもたらすべきである。また、モードＥｒは追加の後方散乱の最大割合を再捕捉すべきである。さらに、これらの屈折率摂動からの後方散乱は、スペクトル的に十分に広く、この後方散乱ファイバで測定可能とされている温度又は歪についての起こり得る最も高い変動の存在下においても、後方散乱の測定に使用される問合せ方式（例えばＯＦＤＲ又はＯＴＤＲ）の全波長範囲をカバーする。
【００２９】
ある実施形態は、屈折率摂動によって影響される波長範囲の外側の波長で動作する光ポンプをさらに備える。例えば、屈折率摂動が１５４２．５ｎｍと１５５７．５ｎｍの間の波長範囲での後方散乱を増加させる場合、光ポンプはその範囲の外側の波長を有する。一方、そのようなポンプ信号は、増加した後方散乱範囲内で利得を生成し得る。
【００３０】
問合せ方式の一部でないスペクトル範囲への後方散乱信号のスペクトル拡張は避けるべきである。なぜなら、そのスペクトル範囲からの付加的な後方散乱は、ＳＮＲは増加させないが、その代わりにファイバにおける吸収の増加又は全体的な信号若しくは光ポンプの減衰といった有害な影響を有し得るからである。さらに、ファイバに沿った不要な盲点を避けるために、問合せ方式の目標空間分解能以上の長さの全てのファイバ区間からの問合せスキャン範囲において後方散乱信号は十分に強くなければならない。したがって、後方散乱の増大が十分な測定（例えばＯＦＤＲ又はＯＴＤＲ）帯域幅に亘って持続する最短積分長は、測定システムの達成可能な空間分解能の下限に近い。好ましくは、後方散乱は、レイリー散乱レベルを上回る１０ｄBより大きく、適切な問合せとして十分とみなされる。これら全ての特性は、式（１〜６）及びここに記載される実施形態から、当業者により確認され得る。
【００３１】
式（１〜６）及び念頭にある高後方散乱ファイバの好適な実施形態の望ましい特性を用いて、被試験装置（ＤＵＴ）の干渉測定法の一実施例を、群屈折率ｎｇｒｏｕｐ＝１．４５のファイバ及び１５４２．５ｎｍから１５５７．５ｎｍのスキャン範囲Δλ＝１５ｎｍを有するＯＦＤＲインテロゲータについて説明する。通常、そのようなＯＦＤＲ法は広いスペクトル範囲（例えば１０ｎｍ以上）を測定し、時間領域のインパルス応答は測定されたスペクトルのフーリエ変換によって計算される。元のスペクトルデータが複素数値のＤＵＴの反射振幅に比例する場合、そのインパルス応答の係数（モジュラス）の二乗は、時間領域の反射電力に比例する。ＭＰＩ及び群速度分散（すなわち波長の群速度の依存性）が測定されたスキャン範囲において無視できる場合、時刻（ｔ）における相対反射電力はＤＵＴの位置ｚにおける反射率（単位長あたり、式（５）の定義を参照）に以下のように比例する。
【数１７】
2017032979.tif 000019
ここで、ｖｇｒｏｕｐ及びｎｇｒｏｕｐは平均群速度及びスキャン範囲の群屈折率であり、ｃ０は真空中の光の速度であり、分母の係数２は、光が位置ｚまで伝搬して戻ることで移動距離の２倍となることによる。したがって、ナイキストの標本化定理により、本実施例では５５．２マイクロメートル（μｍ）の空間分解能が可能である。
【数１８】
2017032979.tif 000020
ＯＦＤＲインテロゲータは、比較的短いセンサ長（例えば数メートル）に対してこの分解能を達成可能である。ナイキストの標本化定理は、所与のスキャン範囲においてより長いセンサ長がより多くの（スペクトル的により接近した）スペクトル測定及びそれゆえより長いスキャン時間を必要とすることを同様に意味する。これより、振動などのあらゆる種類の速い変化への感度が増加する。測定時間及び振動感度を一定に保つために、空間分解能とセンサ長の積は一定にしておくべきである。換言すれば、より長いセンサ長は、より粗い空間分解能又は振動感度の増大という代償のもとに達成可能である。
【００３２】
図１〜４は、ｐ＝ｒ＝ＬＰ０１の場合、すなわち伝搬信号（ｐ）及び逆方向伝搬反射信号（ｒ）の両方がシングルモード光ファイバの基本モード（ＬＰ０１）で伝搬している実施例を示す。したがって、式（５）のＲｐ→ｒは、
【数１９】
2017032979.tif 000021
と表される。図１及び２は、図３及び４における短いセンサ長Ｌ＝２９．４ｃｍと比べて長いセンサ長Ｌ＝１１９．５ｃｍを示す。
【００３３】
図１Ａ及び１Ｂは、波長範囲１５５０±７．５ｎｍにおいて後方散乱設計レベル−８０ｄＢ／ｍｍを有する１１９．５ｃｍ長のファイバ区間における一実施形態についての積分長ｌ＝１ｍｍでの式（５）から、対数単位
【数２０】
2017032979.tif 000022
における反射率のプロットを示すグラフであり、すなわち、
【数２１】
2017032979.tif 000023
である。
【００３４】
特に図１Ａは、３次元（３Ｄ）で、波長（λ）及びファイバに沿ったｚ位置（メートル（ｍ））の関数としての反射率（単位ｄＢ／ｍｍ）を積分長ｌ＝１ｍｍを使用してプロットする。後方散乱の増大が全測定（例えばＯＦＤＲ又はＯＴＤＲ）帯域幅に亘って持続する最短積分長は、測定の達成可能な空間分解能についての下限に近い。図１Ｂは、同じ結果を２次元（２Ｄ）のプロットで示す。図２Ａ及び２Ｂは、積分長ｌ＝３０ｍｍでの反射率を示すグラフであり、他の全パラメータは図１Ａ及び１Ｂでの値にそれぞれ等しい。
【００３５】
図３Ａ及び３Ｂは、波長範囲１５５０±７．５ｎｍにおいて後方散乱設計レベル−６０ｄＢ／ｍｍを有する２９．４ｃｍ長のファイバ区間における積分長約０．３ｍｍ（より正確には０．２９９ｍｍ）における反射率のプロットを示すグラフであり、すなわち、
【数２２】
2017032979.tif 000024
である。
【００３６】
特に図３Ａは、３Ｄで波長λ及びファイバに沿ったｚ位置の関数としての反射率（ｄＢ／ｍｍで）を積分長０．２９９ｍｍを用いてプロットする。図３Ｂは、同じ結果を２Ｄのプロットで示す。図４Ａ及び４Ｂは、積分長ｌは１ｍｍである一実施形態についての反射率を示すグラフであり、他の全パラメータは図３Ａ及び３Ｂでの値にそれぞれ等しい。
【００３７】
図１Ａ、１Ｂ、２Ａ及び２Ｂのための設定は、各区間間に１ｍｍの重なりを有する２０ｃｍ長の個々の区間６個を含み、それによりファイバ長Ｌ＝１１９．５ｃｍとなる。目的の後方散乱増大を達成するために、屈折率摂動Δｎｚ（ｚ）（式（３）参照）は、周期２０ｃｍ又は１９．９ｃｍでそれぞれ周期的又は準周期的である必要はない。一般に数マイクロメートル（μｍ）のコア半径Rｃｏｒｅを有するファイバのコアでは、この実施例における屈折率摂動Δｎ（ｘ，ｙ，ｚ）のｚ平均絶対値（モジュラス）
【数２３】
2017032979.tif 000025
は、
【数２４】
2017032979.tif 000026
であり、Δｎｚ（ｚ）の局所形状及び曲率において十分な変動を有し、波長（λ）範囲（帯域内）約１５５０±７．５ｎｍにおいて２０ｃｍについて−５７ｄＢ（−８０ｄＢ／ｍｍ＝−２０ｄＢ／ｋｍ）の平均反射を達成する。この計算において、結合係数を式（５）の絶対値（モジュラス）
【数２５】
2017032979.tif 000027
で仮定する。より小さい結合係数μｐ，ｒを有するファイバモードで同じ反射率を達成するために、
【数２６】
2017032979.tif 000028
は、｜μｐ，ｒ｜に反比例して増加される必要がある。
【００３８】
−８０ｄＢ／ｍｍの期待レベルは、ｌ＝１ｍｍ（図１Ａ及び１Ｂ）からｌ＝３０ｍｍ（図２Ａ及び２Ｂ）の広い範囲の積分長について観察され得る。当業者が理解するように、このことは、式（２）のΔｎ（ｘ，ｙ，ｚ）からの後方散乱が、自然レイリー散乱の場合のように非干渉的に付加することを意味する。−８０ｄＢ／ｍｍは−２０ｄＢ／ｋｍと同じであるので、ＭＰＩを避けるように後方散乱の全レベルが−２０ｄＢを下回るべきであるという上記の条件に反することなく、この場合では全長約Ｌ＝１ｋｍが可能である。
【００３９】
図１Ａ及び１Ｂに示すように、約１ｍｍの空間分解能は、前述の１５ｎｍの帯域幅の２０ｃｍ長の個々の区間で可能であり、なぜなら、
【数２７】
2017032979.tif 000029
は、積分長ｌ＝１ｍｍよりも大幅に長いいずれの長さについても、対象となる波長帯域、すなわち１５５０±７．５ｎｍ以内で−８０ｄＢ／ｍｍの設計レベルより大幅には下がらないからである。一般に、帯域内反射率増大因子γｉｎ−ｂａｎｄ＞０を、総計後方散乱
【数２８】
2017032979.tif 000030
とレイリー散乱
【数２９】
2017032979.tif 000031
の比として、高散乱の帯域幅において、
【数３０】
2017032979.tif 000032
に従って定義する。図１Ａ及び１Ｂの実施例において、｜λｉｎ−ｂａｎｄ−１５５０ｎｍ｜≦７．５ｎｍを有し、標準シングルモードファイバを通常のレイリー散乱レベル
【数３１】
2017032979.tif 000033
と仮定すると、帯域内の値
【数３２】
2017032979.tif 000034
及びγｉｎ−ｂａｎｄ≒２２ｄＢを得る。帯域内及び潜在的に不要な帯域外の増大を関連付けるために、帯域外反射率抑制因子δｏｕｔ−ｏｆ−ｂａｎｄ＞１を、
【数３３】
2017032979.tif 000035
に従って定義する。
図１Ａ及び１Ｂの実施例では、｜λｏｕｔ−ｏｆ−ｂａｎｄ−１５５０ｎｍ｜＞７．５ｎｍ、
【数３４】
2017032979.tif 000036
及びδｏｕｔ−ｏｆ−ｂａｎｄ≒２２ｄＢである。空間屈折率摂動は、ファイバ長に沿って再現可能であり１１９．５ｃｍをはるかに超える総センサ長を達成する。この適度なレベルの後方散乱では、センサ長が１キロメートル（ｋｍ）を超える長いセンサが、大きなＭＰＩ無しに可能となる。
【００４０】
図３Ａ、３Ｂ、４Ａ及び４Ｂのための設定は、各区間同士で０．５ｍｍの重なりを有する２５ｍｍ長の個々の区間１２個を含み、それにより２９．４ｃｍ長のファイバとなる。目的の後方散乱増大を達成するために、屈折率摂動Δｎｚ（ｚ）（式（３）参照）は、周期２５ｍｍ又は２４．５ｍｍでそれぞれ周期的又は準周期的である必要はない。ファイバのコアでの平均屈折率摂動は、局所形状及び曲率において十分な変動を有して図１Ａ、１Ｂ、２Ａ及び２Ｂと同じ帯域内範囲で２５ｍｍについて−４６ｄＢ（≒−６０ｄＢ（１／ｍｍ）≒−３０ｄＢ／ｍ）の平均反射を達成するように、平均振幅
【数３５】
2017032979.tif 000037
を有した。図３Ａ及び３Ｂに示すように、１ｍｍ未満の分解能は、１５ｎｍの帯域幅の２５ｍｍ長の個々の区間で可能であり、なぜなら、
【数３６】
2017032979.tif 000038
は、積分長ｌ＝０．３ｍｍよりも大幅に長いいずれの長さについても、対象となる波長帯域、すなわち１５５０±７．５ｎｍ以内で−６０ｄＢ／ｍｍの設計レベルより大幅には下がらないからである。
【００４１】
より粗い空間分解能によって、ファイバに沿った盲点についての上記の基準が緩和される。図１と比較して図２を、図３と比較して図４も参照のこと。また、当業者であれば、全てのグレーティングを作り出す個々の長さについてより長い設計長が製作のために好ましいものであることを理解するはずである。
【００４２】
開示される実施形態は、他のアプローチと比較して多くの効果を享受する。例えば、多くのファイバは、高後方散乱の要件以外の仕様により制限を受ける。例えば、後方散乱の増加は開口数（ＮＡ）の増加又はファイバにドープするゲルマニウム（Ｇｅ）の増加により可能であるが、Ｇｅドーピングの増加又はＮＡの増加は、一般に他の用途には最適化できない光ファイバをもたらす。例えば、単一波長でシングルモードのままの高ＮＡファイバは、機械的コネクタ又は溶融スプライスのいずれかによって、遠隔通信システムで使用される標準シングルモードファイバのような低ＮＡファイバと比べて、比較的高い結合損失を示す。高後方散乱ファイバのＮＡ低下のための副ドーパントの使用は、スプライス及びコネクタ損失の改善にはあまり効果的ではない。さらに、高ＮＡファイバでは、伝送損失が比較的高い。なぜなら、伝送損失は、高ＮＡに起因する後方散乱の増加に直接関係し、そのような増加ドーパントファイバの達成可能な損失レベルについて厳密な制限となるためである。
【００４３】
これに対して、ここで開示される高後方散乱ファイバは、伝送損失又は結合損失を実質的に増加させることなく後方散乱を増加させる。例えば、図１Ａから４Ｂにおいて後方散乱をもたらす屈折率摂動は、標準シングルモードファイバに整合されたモードフィールド及びＮＡを有する低損失伝送ファイバに導入が可能であり、低結合損失及び低伝送損失を与える一方で、高い後方散乱損失をもたらす。その結果のファイバは、増加した後方散乱のみに起因し、指定された波長範囲のみに亘る伝送損失を示すことになる。
【００４４】
さらに、高後方散乱を伴って減少した結合損失及び伝送損失は、ファイバの他の特性にも適用され得る。例えば、あるファイバは、非常に低い若しくは非常に高い非線形性又は非常に低い若しくは非常に高い群速度分散など、具体的に設計された線形及び非線形性を有する。
【００４５】
開示される高後方散乱ファイバにおいて、これらのパラメータは特別に調整され、一方でそれと同時に高後方散乱信号を供給する。例えば、シングルモードファイバのモード有効領域の変更が伝搬の非線形性を調整する方法であることはよく知られている。したがって、高い非線形性はモードフィールド領域の削減により達成可能であり、逆に、モード有効領域の増加は伝搬の非線形性を低下させる。増加した非線形性は、強化された非線形効果又はラマン、ブリルアン若しくはパラメトリック効果からの利得を必要とするアプリケーションの利益となる。非線形性の低下は、非線形の歪のない伝搬を必要とするアプリケーションの利益となる。
【００４６】
ある実施形態については、後方散乱の軸方向変化がファイバに沿って導入され得る。例えば、後方散乱はファイバの先端で強められることがあり、それによって伝搬中の信号の自然減衰を中和する。開示される高後方散乱ファイバは、後方散乱の光帯域幅、伝送損失、結合損失、スプライス損失、コネクタ損失のレベル及びモードフィールド領域を制御することもできる。さらに、開示される高後方散乱ファイバは特定の能動的性質との関係でも使用され、これは光利得又は非線形性など、例えば希土類ドーパント又はラマン利得などで誘発され得る。同様に、開示されるファイバは、分散又は複屈折及び他の線形又は非線形の伝搬特性を特に制御し得る。
【００４７】
後方散乱の性質のため、開示されるファイバは、環境状態への制御された意図的な感度を与える。例えば、温度、歪、曲がり、ねじれ、Ｈ２、腐食及び他の感度が、例えばＨ２暗化に対して意図的に感度の高い材料を使用して提供され得る。他の利益は、以下を含む。
【００４８】
他のコア、応力ロッド又はファイバ軸、及び撚りファイバ又は撚り無しファイバを含む様々なマルチコア又は微細構造ファイバの断面に関するコアの高精度配置並びに高後方散乱の組合せは、あるタイプのセンサに対して有利となり得る。例えば、形状検知が、撚りマルチコアファイバにおいて実現され得る。そのようなファイバを有用なものとするため、複数のコアは、光学センサのための所定のキャリブレーションを維持するために、非常に高い精度でファイバ内に配置される必要がある。そのような正確な配置には、プリフォームの正確な機械加工及び強化が要求される。コアが高散乱用に設計された場合、その熱機械特性は、そのような正確な作製にはあまり適さないことがある。例えば、シリカコアのＧｅ含有量が増加すると、そのレイリー後方散乱は増加する。しかし、そのような高濃度Ｇｅドープコアは、周囲のシリカと比べて低い粘度を有し、作製を複雑にする。したがって、大きな後方散乱の可能性をなお有しつつもファイバ中のコア又は複数のコアの高精度な配置を実現するために、Ｇｅ含有量を増加させる必要なく後方散乱を増加させる方法が望ましい。
【００４９】
動作の中心波長は、あるアプリケーションについては制限されなければならないこともあるので、ある波長については散乱が必要となるが他の波長にはそうではない。例えば、非常に長い波長又は他の波長では、レイリー散乱が赤外線（ＩＲ）損失及び他の散乱メカニズムに支配されている。シリカファイバのより長い、通常４μｍより長い波長については、ＩＲ損失が増加する。レイリー散乱からの後方散乱は、この損失のために十分ではないこともある。結果として、そのような長い波長を必要とするセンサは、さらなる後方散乱が有用となることを必要とする。他の実施例では、他の波長では高後方散乱を有しつつも、ある波長では損失及び低後方散乱伝搬を可能とすることが必要なこともある。一般的な導波路は、所与の波長又は波長帯域におけるそのような選択的な強化を与えることができない。ここで記載する変更は、所与の望ましい帯域幅に亘ってそのように増加した後方散乱を可能とする。
【００５０】
レーザ、キャビティ又はレージングを含むファイバ長は、いくつかのアプリケーションでも使用される。そのようなアクティブ導波路装置は、検知又は光発生のために使用され得る。このような装置では、レージング特性を向上するために、又は監視信号を供給してその長さに沿ったレージング装置についての情報を与えるために、後方散乱の増加が必要となることがある。
【００５１】
後方散乱の強度がファイバ長に線形的に拡縮して変化し、又は少なくともファイバ長の２乗よりも小さく変化するファイバは、ある検知用アプリケーションにおいて重要である。レイリー散乱光信号は、散乱の非干渉な性質のために導波路の長さに線形的に拡縮することが知られている。散乱を増加させるファイバは、使用する導波路長に線形的に拡縮して後方散乱を増加させるようにも設計可能である。そのような単純な線形的増加は、例えば、信号対雑音比を増加させるだけのレイリー散乱で使用される同じ種類のアルゴリズムで強化散乱導波路が使用されることを可能とする。
【００５２】
後方散乱の強度が、ファイバにおいてもたらされる変調に線形的に拡縮して変化し、又はその変調の少なくとも２乗よりも小さく変化するファイバは、あるアプリケーションにおける関心事となる。したがって、強化されたファイバは、屈折率変調及び散乱強度の間に概ね線形な関係を示す標準ファイバでのレイリー散乱に類似することとなる。
【００５３】
本開示のファイバは、熱変動による結果とは異なり、屈折率における付加的な変動を含む。この付加的な変動は、好ましくはいくらか長い範囲のオーダーを有する。例えば、伝搬モードの強度が最も高い断面の部分において、屈折率変動（ここでは摂動ともいう）は、好ましくは、光ファイバの横軸方向に変動をほとんど有しないか、全く有しない。したがって、コア誘導光は、放射モードと最小限に重複し、より少ない伝送損失及びより多くの後方散乱をもたらす。屈折率変動は、ある実施形態ではファイバクラッドに十分に拡がり、コアからクラッドモードへの結合を完全に又はほぼ完全に抑制する。
【００５４】
屈折率変動は、１以上の長さスケールでピークとなる空間スペクトルを有し得る。そのような長さスケールの一例は、５００ｎｍのオーダーである。そのような長さスケールは、通常のシングルモードファイバにおいて他の波長での散乱を増加せずに１５５０ｎｍの波長付近の散乱を増加させることになる。ある実施形態については、屈折率変動は、基本長スケールを示し、この基本長さスケールに関する繰返しのない位相変動を示すことになる。すなわち、ファイバに沿ったいずれの点においても、基本長さスケールで屈折率変動が観察されることになる。一方、これらの屈折率変動の位相及び振幅は、ある空間の点から他の点までランダムとなる。
【００５５】
さらに他の実施形態では、変動は、基本空間周波数ピークよりも一層長い所定長スケールに亘って繰り返すことになり、例えば、図１Ａ、１Ｂ、２Ａ及び２Ｂにおけるように、１ｃｍ又は２．５ｃｍの長い区間の隙間又は重なりを有し、又は有さずに、長さスケール１ｃｍ又は２．５ｃｍに亘って繰り返す。あるいは、そのパターンは、部分的に周期的であってもよい。したがって、同じパターン（又は同じ周期パターンの部分）は、変化する位相と共に現れ得る。
【００５６】
さらに他の実施形態では、屈折率変動は、後方散乱を増加させるのに十分に大きくなるが、複数散乱（マルチパス干渉、ＭＰＩ）が測定に影響を与えるほど大きくはならない。したがって、後方散乱は、その間導波路に一度しか現れないが、レイリー散乱に対する後方散乱よりも一層大きくなる。好ましい実施形態では、ファイバ導波路に沿った各ポイントからの後方散乱は、ＭＰＩに起因する最小限のセンサ性能低下の要件に矛盾しない最大値となる。すなわち、センサインテロゲータに上記のように動作するのに−２０ｄＢより低い全後方散乱のレベルが必要な場合、各ポイントにおける単独の後方散乱信号は、複数後方散乱の影響が出力信号において無視できるという制約を条件として可能な限り大きくなる。この最適な散乱は後方散乱信号がファイバに沿って均一でないことを要し得ることが理解される。
【００５７】
代替的に、誘発された変調は、なおも最大限可能な後方散乱信号を得つつも振幅が最小となるように選択され得る。
【００５８】
他の実施形態では、屈折率変動には２以上の基本長スケールがある。さらに他の実施形態では、後方散乱信号はファイバに沿って変動することになる。後方散乱信号は、ファイバに沿ったある点について自然の固有の散乱と同じとなり得る。
【００５９】
高散乱光ファイバのある実施形態は、Ｇ．６５２標準に準拠する光ファイバに接続された場合、波長範囲が１４５０ｎｍから１６５０ｎｍの間の範囲、好ましくは１５００ｎｍから１６２５ｎｍの間の範囲で、−９９ｄＢ／ｍｍよりも大きいレイリー散乱及び０．２ｄＢよりも小さい（好ましくは０．１ｄＢよりも小さい）結合損失を備える。光ファイバ産業においてＧ．６５２標準はよく知られているので、Ｇ．６５２標準のさらなる議論はここでは省略する。
【００６０】
ある実施形態は、動作波長範囲内で−９９ｄＢ／ｍｍよりも大きい後方散乱電力、及び動作波長範囲内で１０ｄＢ／ｋｍよりも小さいが、好ましくは２ｄＢ／ｋｍよりも小さい伝送損失を有する高後方散乱ファイバを備える。そのような実施形態については、高後方散乱ファイバはさらに、Δλ≧１ｎｍの帯域幅Δλ及びγ≧１０ｄＢ（すなわち１０ｌｏｇ１０（γ）＝１０デシベル（ｄＢ））の帯域内反射率増大因子（γ）を備え得る。好ましい帯域内中央波長（λ０）は、
９５０ｎｍ＜λ０＜１７００ｎｍ
となる。より好ましくは、
１５００ｎｍ＜λ０＜１６２５ｎｍ
の範囲内であり、高後方散乱ファイバは、レイリー後方散乱
【数３７】
2017032979.tif 000039
を示し、その範囲は、
【数３８】
2017032979.tif 000040
となる。
【００６１】
最も広い意味においては、ある実施形態は、有効屈折率ｎｅｆｆ、開口数ＮＡ、散乱
【数３９】
2017032979.tif 000041
全伝送損失αｆｉｂｅｒ、１ｎｍより広い帯域内範囲及び帯域内範囲で、性能指数（ＦＯＭ）を有する光ファイバを備え、ＦＯＭ＞１である。上述のように、ＦＯＭは：
【数４０】
2017032979.tif 000042
と定義される。
【００６２】
より狭義には、ＦＯＭ＞１の帯域内範囲は、好ましくは約１５００ｎｍから約１６２５ｎｍの間にある。また、ＦＯＭ＞１のある実施形態については、光ファイバは、Ｇ．６５２標準に準拠する光ファイバに接続される場合、帯域内範囲に０．２ｄＢよりも小さい結合損失を備える。ＦＯＭ＞１の他の実施形態については、帯域内範囲内に−９９ｄＢ／ｍｍよりも大きい全後方散乱及び帯域内範囲内に２ｄＢ／ｋｍよりも少ない伝送損失を備える。ＦＯＭ＞１のさらに他の実施形態については、光ファイバは２０ｃｍより長い。ＦＯＭ＞１が説明されるが、ある実施形態ではＦＯＭ＞２を有することが好ましいことが理解されるべきである。あるアプリケーションについては、より高レベルの損失（例えば１０ｄＢ／ｋｍから５００ｄＢ／ｋｍ）に耐え得ることが理解されるべきである。
【００６３】
標準的な実施形態を図示及び説明してきたが、記載したような本開示に対して多数の変更、変形又は代替がなされ得ることは当業者には明らかである。例えば、当業者は、適合された化学線、ＵＶ、ガンマ線又はフェムト秒赤外線（ＩＲ）などを用いて屈折率摂動をもたらす方法を理解しており、これらは全てシリカ又は他のガラスの屈折率を変更するための方法として知られている。当業者は、その位相の適合された変調を有する位相マスクを使用することによって、又はファイバに沿う書込みビーム強度の適合された変調を有するポイント毎のシステムを使用することによって、２本の化学線からの干渉縞を用いて屈折率摂動が誘発可能であることも理解している。適合された変調は、数式及び図１Ａから４Ｂまでを参照して上記に説明したように、光ファイバの後方散乱の目的光スペクトルから導出可能である。また、逆方向伝搬モード（ｒ）が記載される一方で、本開示は、式（５）の＋ｎｅｆｆ，ｒを−ｎｅｆｆ，ｒに単に置き換えるだけで副伝搬モードに等しく適用可能であることが理解されるべきである。ＯＴＤＲ又はＯＦＤＲ技術のいずれかを用いて後方散乱を測定可能であることを理解されるべきである。ＯＦＤＲについては、導波路又はファイバの後端を屈折率整合させることが、後端からの離散的反射でのＭＰＩにより誘発される測定誤差を最小化するのに好ましい。当業者は、本開示の高後方散乱ファイバがポリマー、ケイ酸塩、シリカ、フッ化物、カルコゲニドなどを含み、これらファイバの構造が固体又は微細構造からなり、フォトニック結晶ファイバ、フォトニックバンドギャップファイバ、中空コアファイバなど又はそれらの組合せを含むことを理解するはずである。例えば、中空コアファイバは、所定の気体、流動体、プラズマ又は他の固体材料で充填される。また、ある実施形態については、高後方散乱ファイバは、最大限可能な後方散乱信号を得つつも振幅が最小の変調をもたらすべきであったことが理解されるべきである。さらに、光ファイバは例示の実施形態で示されているが、高後方散乱は全ての導波路へ適用可能であることが理解されるべきである。最後に、他に明示的に又は文脈による指定がない限り、光は可視光、ＵＶ放射線又はＩＲ放射線を意味するものと定義される。
【００６４】
全ての変更例、変形例及び代替例は、本開示の範囲内とみなされるべきである。
【図１Ａ】
2017032979.tif 000048
【図１Ｂ】
2017032979.tif 000049
【図２Ａ】
2017032979.tif 000050
【図２Ｂ】
2017032979.tif 000051
【図３Ａ】
2017032979.tif 000052
【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【外国語明細書】
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