(57)【要約】  ナノ構造の内側および外側コア領域を有する光拡散型光ファイバが開示されている。そのナノ構造の内側コア領域（３０）は、第１の量の光散乱を規定する第１の構成の空隙（３４）により画成される。外側コア領域（５０）は、第１の量の光散乱とは異なる第２の量の光散乱を規定する第２の構成の空隙（５４）により画成される。クラッド（１００）がナノ構造コアを取り囲む。内側コア領域から散乱した光は、外側コア領域から散乱し、次いで、散乱光としてクラッドを出る。光拡散型光ファイバの選択的な曲部を使用して、ファイバの長さの関数として、ファイバから放射される散乱光の強度分布の調整を可能にする曲部構成を画成する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光拡散型光ファイバにおいて、
ａ）ナノ構造コアであって、
ｉ）屈折率ｎ30を有し、第１の量の光散乱を規定する第１の構成の空隙により画成された、ナノ構造の内側コア領域と、
ｉｉ）前記ナノ構造の内側コア領域を取り囲み、屈折率ｎ50を有し、前記第１の量の光散乱とは異なる第２の量の光散乱を規定する第２の構成の空隙により画成された、少なくとも１つのナノ構造の外側コア領域と、
を有するナノ構造コア、および
ｂ）前記ナノ構造コアを取り囲むクラッド、
を備えた光拡散型光ファイバ。
【請求項２】
前記第１の量の光散乱が前記第２の量の光散乱より小さい、請求項１記載の光拡散型光ファイバ。
【請求項３】
前記第１の量の光散乱が前記第２の量の光散乱より大きい、請求項１記載の光拡散型光ファイバ。
【請求項４】
前記ナノ構造の内側コア領域と前記少なくとも１つのナノ構造の外側コア領域との間に少なくとも１つの環状隔離領域をさらに備え、該隔離領域が、中実であり、ｎ30より大きい屈折率ｎ40、および１μｍ≦Δｒ≦１０μｍの範囲の半径方向幅Δｒを有する、請求項１から３いずれか１項記載の光拡散型光ファイバ。
【請求項５】
（ｉ）前記ナノ構造コアが、５０μｍ≦ｒ20≦２５０μｍの範囲の半径ｒ20を有し、（ｉｉ）前記ナノ構造の内側コア領域が、（０．１）・ｒ20≦ｒ30≦（０．７５）・ｒ20の範囲の半径ｒ30を有する、請求項４記載の光拡散型光ファイバ。
【請求項６】
前記少なくとも１つのナノ構造の外側コア領域が複数Ｎのナノ構造の外側コア領域を含み、前記ナノ構造コアが複数Ｎの隔離領域を含み、該Ｎの隔離領域の内の１つが、前記ナノ構造の内側コア領域と前記ナノ構造の外側コア領域の最も内側のものとの間に配置されている、請求項１記載の光拡散型光ファイバ。
【請求項７】
光拡散型光学系において、
請求項１記載の光拡散型光ファイバ、および
前記光拡散型光ファイバに光学的に結合した光源、
を備えた光拡散型光学系。
【請求項８】
前記光源が、前記光拡散型光ファイバに結合して前記ナノ構造コアを伝わる光を放出し、前記光拡散型光ファイバが外面を有し、前記ナノ構造の内側コア領域および前記ナノ構造の外側コア領域の各々が前記光を散乱光として前記ナノ構造コアから散乱させ、前記光拡散型光ファイバが少なくとも１つの曲部を含み、該少なくとも１つの曲部が、該曲部がない場合と比べて、前記外面を通って放射される散乱光の量を増加させる、請求項７記載の光拡散型光学系。
【請求項９】
外面を有する光拡散型光ファイバから照明を提供する方法において
前記光拡散型光ファイバのナノ構造コアであって、第１の量の光散乱を有するナノ構造の内側コア領域および該ナノ構造の内側コア領域を取り囲み、第２の量の光散乱を有するナノ構造の外側コア領域を有するナノ構造コアに光を結合させる工程、
前記光を、前記ナノ構造コアの長さに沿って伝搬させ、前記光拡散型光ファイバの外面から出る散乱光として、該ナノ構造コアから散乱させる工程、および
前記光拡散型光ファイバを曲げて、光を、前記ナノ構造の内側コア領域から前記ナノ構造の外側コア領域に伝達し、それによって、前記光拡散型光ファイバを曲げない場合と比べて、前記外面から出る散乱光の量を増加させる工程、
を有してなる方法。
【請求項１０】
前記ナノ構造の内側コア領域が屈折率ｎ30を有し、前記ナノ構造の外側コア領域が屈折率ｎ50を有し、該ナノ構造の内側コア領域と該ナノ構造の外側コア領域との間に少なくとも１つの環状隔離領域をさらに備え、該隔離領域が、中実であり、ｎ30、ｎ50より大きい屈折率ｎ40、および１μｍ≦Δｒ≦１０μｍの範囲の半径方向幅Δｒを有する、請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は、その内容が依拠され、ここに全て引用される、２０１４年１０月２３日に出願された米国仮特許出願第６２／０６７６４７号の米国法典第３５編第１１９条の下での優先権の恩恵を主張するものである。
【技術分野】
【０００２】
本開示は、広く、光拡散型光ファイバに関し、特に、ナノ構造の内側および外側コア領域を有する光拡散型光ファイバに関する。
【背景技術】
【０００３】
ある種の光拡散型光ファイバは、光が光ファイバの長さに沿って伝搬するときに、光を半径方向外側に散乱させるように構成されている。そのようなファイバは、特別照明、光化学などの数多くの用途にとって、また様々なタイプの電子機器および表示系装置にとって、特に有用である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
光拡散型光ファイバに関する問題の１つは、光散乱により、光源からのファイバに沿った距離の関数として、光の均一性が低下することである。光拡散型光ファイバの長さに沿った均一照明を得るために、ファイバの両端に２つの光源を使用すること、ファイバの一端に反射器を使用すること、または十分に短いファイバ部分を使用することのいずれかが必要である。均一照明を得るためのこれらの手法は、高く付き、システム費用が増し、他の欠点および制限がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の態様は、ナノ構造コアを有する光拡散型光ファイバである。このナノ構造コアは、屈折率ｎ30を有し、第１の量の光散乱を規定する第１の構成の空隙により画成された、ナノ構造の内側コア領域を有する。このナノ構造コアは、中央にあるナノ構造の内側コア領域を取り囲み、屈折率ｎ50を有し、第１の量の光散乱とは異なる第２の量の光散乱を規定する第２の構成の空隙により画成された、ナノ構造の外側コア領域も少なくとも１つ有する。この光拡散型光ファイバは、このナノ構造コアを取り囲むクラッドも備えている。
【０００６】
本開示の別の態様は、上述した光拡散型光ファイバおよびその光拡散型光ファイバに光学的に結合した光源を備えた光拡散型光学系である。
【０００７】
本開示の別の態様は、第１の量の光散乱を規定する第１のナノ構造形態の空隙を有するナノ構造の内側コア領域；その内側コア領域を取り囲み、第２の量の光散乱を規定する第２のナノ構造形態の空隙を有するナノ構造の外側コア領域；ナノ構造の内側および外側コア領域の間に配置され、環状幅１μｍ≦Δｒ≦１０μｍを有する隔離領域；および前記ナノ構造の外側コア領域を取り囲むクラッド領域を備えた光拡散型光ファイバである。
【０００８】
本開示の別の態様は、上述した光拡散型光ファイバであって、少なくとも１つの曲部を含む曲部構成を有する光拡散型光ファイバを備え、その光拡散型光ファイバに光学的に結合した光源も備えた、光拡散型光学系である。
【０００９】
本開示の別の態様は、外面を有する光拡散型光ファイバから照明を提供する方法である。この方法は、前記光拡散型光ファイバのナノ構造コアであって、第１の量の光散乱を有するナノ構造の内側コア領域およびそのナノ構造の内側コア領域を取り囲み、第１の量の光散乱とは異なる第２の量の光散乱を有するナノ構造の外側コア領域を有するナノ構造コアに光を結合させる工程；その光を、ナノ構造コアの長さに沿って伝搬させ、その光拡散型光ファイバの外面から出る散乱光として、ナノ構造コアから散乱させる工程；およびその光拡散型光ファイバを曲げて、光を、ナノ構造の内側コア領域からナノ構造の外側コア領域に伝達し、それによって、光拡散型光ファイバを曲げない場合と比べて、外面から出る散乱光の量を増加させる工程を有してなる。
【００１０】
追加の特徴および利点は、以下の詳細な説明に述べられており、一部は、その説明から当業者に容易に明白となるか、または以下の詳細な説明、特許請求の範囲、並びに添付図面を含む、ここに記載された同じことを実施することによって認識されるであろう。
【００１１】
先の一般的な説明および以下の詳細な説明の両方とも、特許請求の範囲の性質および特徴を理解するための概要または骨子を提供することが意図された実施の形態を提示していることを理解すべきである。添付図面は、本開示のさらなる理解を与えるために含まれ、本明細書に包含され、その一部を構成する。特許請求の範囲は、本明細書に包含され、その部分を構成する。図面は、様々な実施の形態を示しており、説明と共に、原理および作動を説明する働きをする。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ファイバ中を伝わり、ファイバから散乱（拡散）する光を示す、ここに開示された例示の光拡散型光ファイバの側面図
【図２】図１の線２−２に沿ってとられた断面図であって、その光拡散型光ファイバの例示の構成を示し、２つの拡大挿入図（Ｉ１およびＩ２）において、ナノ構造の内側および外側コアに関する異なる空隙構造（すなわち、ナノ構造形態）を示す断面図
【図３Ａ】図２による例示の光拡散型光ファイバに関する半径ｒに対する相対屈折率Δをプロットしたグラフ
【図３Ｂ】図３Ａと似ており、ナノ構造コアのナノ構造形態がクラッドまで延在し、クラッドの少なくとも一部を構成している例示の相対屈折率プロファイルを示すグラフ
【図４Ａ】図２と似ており、ナノ構造コアが２つのナノ構造の外側コアおよび２つの隔離領域を含む例示の実施の形態を示す図
【図４Ｂ】図４Ａの構成を有する例示の光拡散型光ファイバに関する例示の相対屈折率プロファイルを示すグラフ
【図５Ａ】図４Ａと似ており、ナノ構造コアが隔離領域を含まない、ここに開示された光拡散型光ファイバの例示の実施の形態を示す図
【図５Ｂ】図４Ｂと似ており、ナノ構造コアが隔離領域を含まない、ここに開示された光拡散型光ファイバの例示の実施の形態を示すグラフ
【図６Ａ】ここに開示された光拡散型光ファイバを使用した光拡散型光学系の実施の形態の概略図
【図６Ｂ】図６Ａと似ており、光拡散型光ファイバが、その光拡散型光ファイバからの光の放射を促進させるための多数の（例えば、３つの）曲部を含む曲部構成を有する、光拡散型光ファイバの実施の形態を示す概略図
【図６Ｃ】図６Ｂと似ており、光拡散型光ファイバが曲部構成を有し、装置のカバーガラスに対して作動可能に配置されている、光拡散型光ファイバの実施の形態を示す概略図
【図７Ａ】直線（すなわち、非曲部）構成の光拡散型光ファイバ（実線）、および図６Ｂに示されたような、曲部構成を有する同じ光拡散型光ファイバ（点線）の長さに沿った局所座標ｚ’の関数としての正規化強度Ｉ（ｚ’）をプロットしたグラフ
【図７Ｂ】光拡散型光ファイバにおける曲部が、ファイバの長さに沿った輝度分布における急な山形を形成するためにどのように使用できるかを示す、局所座標ｚ’の関数としての輝度Ｂ（ｚ’）（任意単位）をプロットした例示のグラフ
【図７Ｃ】図７Ｂに似ており、各曲部が高輝度部分である低い平均輝度を有する光拡散型光ファイバに関する曲げ形態の一例を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１３】
ここで、その例が添付図面に示された、本開示の好ましい実施の形態を詳しく参照する。できるときはいつでも、同様の構成部材または部品を称するために、同様の参照番号が使用される。参考に、図面のいくつかに、デカルト座標が示されている。
【００１４】
下記の議論は、ここに開示された光拡散型光ファイバを、無作為に配置され、かつ無作為なサイズであり、当該技術分野で「無作為空気ライン」または「ナノ構造体」または「ナノサイズ構造体」と称されることもある、「空隙」を有するとして言及している。そのような空隙を有する光ファイバの例が、ここに引用される、米国特許第７４５０８０６号および同第８５９１０８７号の各明細書に記載されている。
【００１５】
また、下記の議論において、ここに用いた「屈折率プロファイル」という用語は、屈折率ｎとファイバの半径との間の関係である。
【００１６】
その上、ここに用いた「相対屈折率」という用語は：
【００１７】
【数１】
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【００１８】
として定義され、式中、特に明記のない限り、ｎ（ｒ）は半径ｒでの屈折率である。いくつかの実施の形態において、屈折率は、ステップ型として定義できる、すなわち、ｒ＜ｒ0について、Δ（ｒ）％＝□1％、ｒ＞ｒ0について、Δ（ｒ）％＝□0％、ここで、□1％＞□0％、ｒ0はコア半径である。相対屈折率パーセントは、特に明記のない限り、８５０ｎｍで定義される。１つの態様において、基準屈折率ｎREFは、８５０ｎｍでの１．４５２４９８のシリカガラスの屈折率である。別の態様において、ｎREFは、８５０ｎｍでのクラッドの最大屈折率である。ここに用いたように、相対屈折率はΔにより表され、その値は、特に明記のない限り、「％」の単位で与えられる。ある領域の屈折率が基準屈折率ｎREFより小さい場合、相対屈折率パーセントは、負であり、低下領域または低下屈折率を有すると称され、特に明記のない限り、最小相対屈折率は、相対屈折率が最も負である地点で計算される。ある領域の屈折率が基準屈折率ｎREFより大きい場合、相対屈折率パーセントは、正であり、その領域は、上昇している、または正の屈折率を有すると言うことができる。
【００１９】
ここに用いた「アップドーパント」という用語は、純粋なドープされていないＳｉＯ2に対してガラスの屈折率を上昇させるドーパントを称する。ここに用いた「ダウンドーパント」という用語は、純粋なドープされていないＳｉＯ2に対してガラスの屈折率を低下される傾向にあるドーパントである。アップドーパントは、アップドーパントではない他のドーパントを１種類以上伴うときに、負の相対屈折率を有する光ファイバの領域に存在してよい。同様に、アップドーパントではない１種類以上の他のドーパントは、正の相対屈折率を有する光ファイバの領域に存在してよい。ダウンドーパントは、ダウンドーパントではない他のドーパントを１種類以上伴うときに、正の相対屈折率を有する光ファイバの領域に存在してよい。同様に、ダウンドーパントではない１種類以上の他のドーパントは、負の相対屈折率を有する光ファイバの領域に存在してよい。
【００２０】
例示の形態
図１は、入力端１１、中心軸または中心線１２および外表面１４を有する、例示の光拡散型光ファイバ１０の側面図である。光１６が、光拡散型光ファイバ内をｚ方向に伝わり、散乱光１６Ｓとして外表面１４から散乱していると示されている。光拡散型光ファイバ１０は長さＬを有する。
【００２１】
図２は、図１の線２−２に沿ってとられた例示の光拡散型光ファイバ１０の断面図である。光拡散型光ファイバ１０は、内側コア部分（「コア」）２０、および外側クラッド１００を有し、このクラッドは、１つの実施の形態において、低屈折率高分子から作られている。外側クラッド１００は半径ｒCLを有する。
【００２２】
コア２０が、拡大挿入図ＩＮ−０に示されており、半径ｒ20を有する。コア２０は、半径ｒ30を有する中心または内側コア領域（「内側コア」）３０、中心コア領域を取り囲み、半径ｒ40を有する随意的な隔離領域４０、および中間環状コア領域を取り囲み、半径ｒ50を有する環状外側コア領域（「外側コア」）５０を備えている。
【００２３】
内側コア３０は、屈折率ｎ30を有し、第１の量の散乱を規定する、無作為に配置され無作為なサイズの空隙３４により画成された第１のナノ構造形態３２（拡大挿入図ＩＮ−１）を含む。外側コア５０は、屈折率ｎ50を有し、第１の量の散乱とは異なる第２の量の散乱を規定する、無作為に配置され無作為なサイズの空隙５４により画成された第２のナノ構造形態５２（拡大挿入図ＩＮ−２）を含む。
【００２４】
隔離領域４０は、屈折率ｎ40＞ｎ30、ｎ50を有し、実質的に空隙を含まない、例えば、中実である。一例において、隔離領域４０は、ドープされていないシリカ、または条件ｎ40＞ｎ30、ｎ50（すなわち、ｎ40＞ｎ30、および／またはｎ40＞ｎ50）を確立するように屈折率ｎ40を上昇させるためにドーパントが使用されたドープされたシリカのいずれかから作られる。
【００２５】
コア２０は、空隙を含むので、以後、「ナノ構造コア」２０と称される。同様に、内側コア３０は、以後、「ナノ構造の内側コア」３０と称され、外側コア５０は、以後、「ナノ構造の外側コア」５０と称される。下記に論じられるように、ナノ構造コア２０は、ナノ構造の内側コア３０および１つ以上のナノ構造の外側コア５０を備えることができ、下記の議論において、ある場合には、これらの領域は、ナノ構造コア２０の「ナノ構造領域」と称される。
【００２６】
一例において、空隙３４および５４の断面サイズ（例えば、直径）は、約１０ｎｍから約１０μｍであることがあり、その長さは約１μｍから約５０ｍまで様々であることがある。いくつかの実施の形態において、空隙３４および５４の断面サイズは、約１０ｎｍ、２０ｎｍ、３０ｎｍ、４０ｎｍ、５０ｎｍ、６０ｎｍ、７０ｎｍ、８０ｎｍ、９０ｎｍ、１００ｎｍ、１２０ｎｍ、１４０ｎｍ、１６０ｎｍ、１８０ｎｍ、２００ｎｍ、２５０ｎｍ、３００ｎｍ、４００ｎｍ、５００ｎｍ、６００ｎｍ、７００ｎｍ、８００ｎｍ、１μｍ、２μｍ、３μｍ、４μｍ、５μｍ、６μｍ、７μｍ、８μｍ、９μｍ、または１０μｍである。いくつかの実施の形態において、空隙３４および５４の長さは、約１μｍ、２μｍ、３μｍ、４μｍ、５μｍ、６μｍ、７μｍ、８μｍ、９μｍ、１０μｍ、２０μｍ、３０μｍ、４０μｍ、５０μｍ、６０μｍ、７０μｍ、８０μｍ、９０μｍ、１００μｍ、２００μｍ、３００μｍ、４００μｍ、５００μｍ、６００μｍ、７００μｍ、８００μｍ、９００μｍ、１０００μｍ、５ｍｍ、１０ｍｍ、５０ｍｍ、１００ｍｍ、５００ｍｍ、１ｍ、５ｍ、１０ｍ、２０ｍ、または５０ｍである。
【００２７】
図３Ａは、図２による例示の光拡散型光ファイバ１０に関する半径ｒに対する相対屈折率Δをプロットしたグラフであり、ここに開示されるように、このファイバの例示の相対屈折率プロファイルを示している。ナノ構造の内側コア３０は相対屈折率Δ30を有し、隔離領域４０は相対屈折率Δ40を有し、ナノ構造の外側コア５０は相対屈折率Δ50を有し、クラッド１００は、この例示のプロファイルにおいてゼロと等しい、相対屈折率ΔCLを有する。１つの実施の形態において、ナノ構造の内側コア３０およびナノ構造の外側コア５０は、純粋なシリカまたはフッ素がドープされたシリカであり、一方で、隔離領域４０には、０．５％から１％の範囲の相対屈折率Δ40を有するようにアップドーパントがドープされている。隔離領域４０のアップドーピングは、ＧｅＯ2、Ｐ2Ｏ5、Ａｌ2Ｏ3または他の公知のアップドーパントなどのドーパントを使用して行うことができる。別の実施の形態において、隔離領域４０はシリカから実質的に作られ、ナノ構造の内側コア３０およびナノ構造の外側コア５０はシリカ領域から作られる。
【００２８】
いくつかの実施の形態において、ナノ構造の内側および外側コア３０および５０は、ダイオードレーザなどの多くの光源の出力開口数（ＮＡ）におおよそ相当する、０．１から０．６の範囲のそれぞれのＮＡを有する。
【００２９】
図３Ｂは、図３Ａと似ており、外側コア５０のナノ構造形態がクラッドまで延在し、クラッド１００の少なくとも一部を構成している例示の相対屈折率プロファイルを示している。図３Ｂに示された例において、ｒ50＝ｒCLおよびｎ40＝ｎ50、すなわち、外側コア５０のナノ構造形態は、光拡散型光ファイバ１０の縁までずっと延在し、また、クラッド１００を画成する、すなわち、クラッドもナノ構造である。図３Ａおよび３Ｂの屈折率プロファイルを組み合わせた例において、図３Ａのクラッド１００は、外側コア５０のナノ構造形態を含むが、屈折率ｎ40＞ｎ50。
【００３０】
ある場合には、内側および外側コア３０および５０の一方または両方の相対屈折率を低下させるために、フッ素ドーピングをナノ構造と一緒に使用することができる。
【００３１】
先に論じたように、隔離領域４０は、ナノ構造の内側コア３０をナノ構造の外側コア５０から分離または隔離するために使用され、環状幅Δｒ＝ｒ40−ｒ30を有する。一例において、環状幅Δｒは、０μｍ＜Δｒ＜１０μｍまたは１μｍ＜Δｒ＜１０μｍの範囲にある。Δｒ＝０の場合は、内側および外側コア３０および５０の間に隔離領域４０がない実施の形態に関する。隔離領域４０が使用される場合、その隔離領域は、曲げまたは他の手段などにより光拡散型光ファイバ１０に摂動が加えられる時に、ナノ構造の内側コア３０およびナノ構造の外側コア５０の間に光１６の光結合ができるようなサイズである。
【００３２】
多数のナノ構造の外側コアを有するナノ構造コア
図４Ａは、図２と似ており、ナノ構造コア２０が２つのナノ構造の外側コア５０ａと５０ｂおよび２つの隔離領域４０ａと４０ｂを含む光拡散型光ファイバ１０のナノ構造コア２０の例示の形態を示す。光拡散型光ファイバ１０のこの形態に関する例示の相対屈折率プロファイルが、図４Ｂにプロットされたグラフに示されている。２つのナノ構造の外側コア５０ａおよび５０ｂは、それぞれの相対屈折率Δ50aおよびΔ50bを有し、一方で２つの隔離領域４０ａおよび４０ｂは、相対屈折率Δ40aおよびΔ40bを有する。
【００３３】
当業者には、設計に悪影響を及ぼさずに、様々な屈折率を変えられる、例えば、Δ40bをΔ40aより大きくでき、Δ50bをΔ50aより大きくできるなどのことが認識されるであろう。光拡散型光ファイバ１０の一般的な実施の形態は、ナノ構造の内側コア３０、少なくとも１つのナノ構造の外側コア５０（例えば、５０ａ、５０ｂ、・・・）、およびゼロ、１つ、またはそれより多い隔離領域４０（例えば、４０ａ、４０ｂ、・・・）を有する。Ｎ個のナノ構造の外側コア５０がある例において、Ｎ個の隔離領域４０もある。別の例では、Ｎ個未満の隔離領域がある。
【００３４】
図４Ａおよび４Ｂの光拡散型光ファイバ１０の実施の形態において、隔離領域４０ａおよび４０ｂは、それぞれの環状幅ΔｒaおよびΔｒb（同じである必要はない）を有し、例示の実施の形態において、１μｍ≦Δｒa≦１０μｍ、および１μｍ≦Δｒb≦１０μｍ。
【００３５】
隔離領域がないナノ構造コア
図５Ａおよび５Ｂは、それぞれ、図４Ａおよび４Ｂに似ており、ナノ構造コア２０が隔離領域４０を含まず、よって、ナノ構造の外側コア５０がナノ構造の内側コア３０を直ちに取り囲み、密接に接触している、光拡散型光ファイバ１０の例示の実施の形態を示す。この形態は、光拡散型光ファイバ１０が摂動される、例えば、曲げられる、触れられる、屈曲されるなどしたときに、２つの領域間の光１６の強力な結合を与える。
【００３６】
図２に示された例示の光拡散型光ファイバ１０を再び参照すると、ナノ構造の内側コア３０およびナノ構造の外側コア５０の内部を散乱する光の量は、その中のそれぞれのナノ構造形態３２および５２により規定され、それらの形態は、次に、空隙比（全断面積に対する空隙の面積％）、空隙直径、空隙長さ、空隙密度（すなわち、単位断面積当たりの空隙の数）などのそれぞれの空隙パラメータにより規定される。例えば、図２において、ナノ構造の内側コア３０のナノ構造形態３２が、挿入図ＩＮ−２に示されたナノ構造の外側コア５０のナノ構造形態５２よりも平均空隙サイズが大きく、空隙密度が小さいものとして、挿入図ＩＮ−１に概略示されている。
【００３７】
ナノ構造コア２０のナノ構造領域の各々における散乱損失は、一例において、２５０ｎｍから２０００ｎｍの波長範囲において、実質的にスペクトル的に均一であり、別の例において、可視波長または「白色光」スペクトル範囲（例えば、名目上３８０ｎｍから７５０ｎｍ）に亘り実質的にスペクトル的に均一である。
【００３８】
光拡散型光ファイバの製造
ナノ構造コア２０を有する光拡散型光ファイバ１０は、従来のファイバ製造過程を使用して製造できる。外付け（ＯＶＤ）法、または軸付け（ＶＡＤ）法などの従来のスート堆積法を使用でき、ここで、シリカ粒子およびドープしたシリカ粒子が、火炎中で熱により生成し、スートとして堆積される。ＯＶＤの場合、シリカスートプリフォームが、円柱標的の軸に沿ってスート同伴火炎を行き来させることによって、円柱標的の外面に粒子を堆積させて、層毎に形成される。続いて、そのような多孔質スートプリフォームを乾燥剤（例えば、塩素）で処理して、水および金属不純物を除去し、次いで、１，１００から１，５００℃に及ぶ温度でガラスブランクに固結または焼結する。
【００３９】
表面エネルギーで働く粘性流焼結が焼結の支配的メカニズムであり、これにより、緻密化とスートの細孔の閉鎖がもたらされ、それによって、固結したガラスプリフォームが形成される。焼結の最終段階中、固結に使用された気体は、開いた細孔が閉じるときに捕捉されるであろう。
【００４０】
ナノ構造の内側および外側コア３０および５０を有する光拡散型光ファイバ１０を製造するために、光ファイバプリフォームは、かなりの体積分率の気体を、固結されたガラスブランク内に捕捉させ、それによって、固結されたガラス光ファイバプリフォーム内に非周期的に分布した空隙を形成するのに効果的である、固結条件下で加工することができる。詳しくは、比較的低い透過性の気体（例えば、窒素、クリプトン、二酸化硫黄など）および／または比較的高い焼結速度を使用することにより、固結過程中に、固結ガラス内に孔または空隙を捕捉することができる。焼結速度は、焼結温度を上昇させること、および／または固結炉の焼結区域を通るスートプリフォームの温度ランプ速度を増加させることにより、増加させることができる。これらの空隙は、一般にばらばらであり、シリカにより取り囲まれた孤立した回転楕円形状を有する。したがって、各空隙は、光ファイバプリフォームの長さに沿って軸または半径方向位置で非連続的である。光ファイバプリフォームが光ファイバに線引きされるときに、空隙はファイバの軸方向に沿って引き伸ばされ、それによって、光拡散型光ファイバ１０の内側および外側コア３０および５０のそれぞれのナノ構造形態３２および５２を画成する非連続空隙が形成される。
【００４１】
ナノ構造の内側および外側コア３０および５０を有する光拡散型光ファイバ１０を製造する１つの実施の形態において、三工程コア製造過程が使用される。第一工程において、内側コア３０を製造するために、スートを堆積させ、続いて、内側コアにナノ構造の空隙３４を生じる工程条件下でガラスに固結させる。第二工程において、内側コアの固結したプリフォーム上にスートを堆積させ、堆積したスートを、空隙のない隔離領域を生じる工程条件下で固結させることによって、隔離領域４０を製造する。第三工程において、内側コア３０および隔離領域４０の複合プリフォーム上にスートを堆積させ、外側コア５０にナノ構造の空隙５４を生じる工程条件下でガラスに固結させることによって、外側コア５０を製造する。
【００４２】
一例において、低透過性気体（クリプトン、アルゴン、窒素、酸素、二酸化硫黄など）および速い焼結速度を使用することによって、空隙で満たされた内側および外側コア３０および５０を達成しつつ、高透過性気体（例えば、Ｈｅ）および遅い焼結速度を使用することによって、空隙のない内側隔離領域４０を達成する。第一工程と第三工程における固結工程条件は異なり、それらの工程条件により、プリフォームが光拡散型光ファイバ１０に線引きされたときに、それぞれ、内側コア３０および外側コア５０に異なるナノ構造形態３２および５２が生じる。
【００４３】
上述したように、ナノ構造の内側および外側コア３０および５０は、空隙３４および５４について異なる形状により画成された、異なるナノ構造形態３２および５２を有する。いくつかの実施の形態において、上述したように、異なる空気ライン領域に異なる焼結気体（Ｋｒ、Ａｒ、Ｎ2、Ｏ2、ＳＯ2など）を使用すること、または各領域に異なる含有量の気体の混合物を使用することのいずれかにより、その異なるナノ構造形態３２および５２が得られる。
【００４４】
下記の表１から表４には、異なる焼結気体および異なる線引き張力Ｔ（ｇ）に関する、例示の空隙特性；具体的には、平均空隙サイズ、最大空隙サイズ、空隙密度（μｍ2当たりの空隙の数（＃））、および空隙充満分率（％）が列挙されている。
【００４５】
【表１】
2017536571.tif 000004
【００４６】
【表２】
2017536571.tif 000005
【００４７】
【表３】
2017536571.tif 000006
【００４８】
【表４】
2017536571.tif 000007
【００４９】
上述したようないくつかの実施の形態において、ナノ構造の内側コア３０およびナノ構造の外側コア５０を形成するときに、異なる気体混合物を使用して、光拡散型光ファイバ１０を製造することができる。特定のナノ構造形態は、空隙を形成するのに使用した焼結気体の特定の組合せ、並びに線引き張力Ｔに依存する。下記の表５には、異なる例示の気体混合物に関する空隙密度ρ（＃／μｍ2）および空隙分率ＦV（％）の例示の空隙パラメータおよび３００ｇの線引き張力Ｔに関する、最大シードサイズＳMAX、平均シードサイズ＜Ｓ＞が列挙されている。
【００５０】
【表５】
2017536571.tif 000008
【００５１】
図２を参照すると、１つの実施の形態において、ナノ構造コアの半径ｒ20は、５０μｍ≦ｒ20≦２５０μｍの範囲にある。別の実施の形態において、ナノ構造の内側コアの半径ｒ30は、（０．１）・ｒ20≦ｒ30≦（０．７５）・ｒ20の範囲にある。さらに別の実施の形態において、隔離領域４０の環状幅Δｒは、０≦Δｒ≦（０．２）・ｒ50の範囲にある。また一例において、（ｒ502−ｒ402）／ｒ302により与えられる、ナノ構造の外側コア５０の面積Ａ50に対するナノ構造の内側コア３０の面積Ａ30の比は、ナノ構造の内側および外側コア３０および５０におけるそれぞれの拡散量の比に相当する。
【００５２】
散乱特性はこれらの微小構造特性に依存するので、ナノ構造の内側および外側コア３０および５０の散乱特性は、独立して選択することができる。長い長さの光拡散型光ファイバ１０からの高強度散乱光１６Ｓの放出は、ナノ構造の内側および外側コア３０および５０、並びに随意的な隔離領域４０の相対面積を制御すると共に、ナノ構造コアのこれらの領域の各々において結合する光パワーの量を制御することにより管理できる。
【００５３】
１つの実施の形態において、内側コア３０から散乱する光の量は、外側コア５０のものより多い。別の実施の形態において、内側コア３０から散乱する光の量は、外側コア５０のものより少ない。
【００５４】
光拡散型光学系
図６Ａは、ここに開示された光拡散型光ファイバ１０を使用した例示の光拡散型光学系１００の概略図である。光拡散型光学系１００は、ファイバの開口数（ＮＡ）に実質的に一致する様式で、入力端１１に光学的に結合した光源１１０を備えている。光源１１０は光１６を放出し、この光は、上述したように、また下記により詳しく記載されるように、散乱光１６Ｓを生じながら、光拡散型光ファイバ１０の長さを伝わる。例示の実施の形態において、光源１１０から光拡散型光ファイバ１０への光１６の光結合は、光源１１０と、光拡散型光ファイバ１０の入力端１１との間に作動可能に配置された光結合系１２０により行われる。
【００５５】
光拡散型光学系１００が、ｚ方向に真っ直ぐに伸びるものとして図６Ａに示されている。この構成において、光拡散型光ファイバ内を伝わる光１６は、ナノ構造コア２０を通じて略均一に分布するものとして始まる。これは、高度に多モードである、例えば、数十または数百の導波モードを支持する光拡散型光ファイバ１０により促進される。光１６が真っ直ぐな光拡散型光ファイバ１０を伝わるときに、それぞれ、ナノ構造の内側および外側コア３０および５０のナノ構造形態３２および５２と相互作用し、それによって、ファイバの外表面１４を出る散乱光１６Ｓを形成する（図１も参照のこと）。その結果、散乱光１６Ｓのｚ方向の強度が減少する。
【００５６】
図６Ｂは、図６Ａと似ており、光拡散型光ファイバ１０が、図示された例では、３つの曲部１３０を有する曲部構成を有する、例示の光拡散型光学系１００を示している。光拡散型光ファイバ１０に結合された光１６は、異なる導波モードに亘り分布して、ナノ構造コア２０を実質的に均一に満たす。ここで、光拡散型光ファイバの今では曲がりくねった中心軸１２にしたがう局所座標ｚ’を定義する（図１参照）。
【００５７】
光が光拡散型光ファイバ１０の第１の部分を入力端１１と第１の曲部１３０との間で伝わるときに、光１６は、ナノ構造の内側および外側コア３０および５０から散乱し、それによって、散乱光１６Ｓを生じる。ナノ構造の内側および外側コア３０および５０は、異なるナノ構造形態３２および５２を有し、それゆえ、異なる散乱特性を有する。１つの実施の形態において、ナノ構造の内側コア３０は、ナノ構造の外側コア５０よりも小さい光散乱を有する。これにより、ナノ構造の内側コア３０よりもナノ構造の外側コア５０から多くの光が散乱し、それによって、より多くの光１６が、ナノ構造の外側コアよりもナノ構造の内側コアで伝わる光分布が生じる。
【００５８】
各曲部１３０は、光１６をナノ構造の内側コア３０からナノ構造の外側コア５０に結合させ、それによって、ナノ構造の外側コアに新たな光１６を補充し、次いで、その光は強力に散乱する。一例において、各曲部１３０は、全体の強度がより小さいが、光拡散型光ファイバ１０の入力端１１での光１６の分布により密接に似ている導波モードの再分配を行う。この構成により、散乱光１６Ｓが、単一のナノ構造領域を持つコアを有する光拡散型光ファイバに関するよりも長い長さに亘り伝搬することができる。
【００５９】
曲部１３０の強度（例えば、曲げ半径）、散乱強度、およびそれぞれのナノ構造の内側および外側コア３０および５０の面積Ａ30およびＡ50、並びに隔離領域４０のサイズ（隔離領域がないものを含む）により、ファイバに沿った方向ｚ’の関数としての散乱光１６Ｓの強度分布Ｉ（ｚ’）が決まる。曲部１３０は非常にきつい必要はない。例えば、図６Ｂを参照して、所定の曲部１３０に関する曲げ半径Ｒ130は５ｍｍから５０ｍｍであり得、曲げ角θ130は、５°から９０°またさらには１０°から４５°に及び得る。
【００６０】
曲部１３０は、ナノ構造の内側および外側コア３０および５０からの散乱光１６Ｓの間に特有の相互作用パターンを与え、単一のナノ構造領域を持つコアを有する光拡散型光ファイバに達成できない照明特徴（例えば、強度分布Ｉ（ｚ’））をもたらす。
【００６１】
図７Ａは、図６Ｂに示されたような、曲部構成を有する光拡散型光ファイバ１０の長さに沿った局所座標ｚ’の関数としての正規化強度Ｉ（ｚ’）をプロットしたグラフである。実線は、図６Ａに示されたような、光拡散型光ファイバ１０の直線または非曲部構成を示し、ここで、強度Ｉ（ｚ’）は、ファイバに沿った距離ｚ’で指数関数的に減少する。点線は、ナノ構造の内側および外側コア３０および５０の両方において生じた散乱光１６Ｓのために、初期強度の急落を示している。
【００６２】
第１の曲部１３０に遭遇したときに、ナノ構造の内側および外側コア３０および５０の間の光１６の上述した結合および再分配が生じ、Ｉ（ｚ’）曲線の水平域Ｐ１から分かるように、より多くの散乱光１６Ｓが放射される。水平域Ｐ１は、必ずしも平坦である必要はなく、実線の曲線の対応する部分ほど急勾配ではないわずかに右下がりの勾配を有する。
【００６３】
第２の曲部１３０で、強度Ｉ（ｚ’）は、急激に低下するが、間もなく、ナノ構造コア２０内で光１６の別の再分配が起こるときに、第２の水平域Ｐ２で回復する。このパターンは第３の曲部１３０で繰り返され、第３の水平域Ｐ３が形成される。ファイバが真っ直ぐな場合よりも、ファイバに曲部がある場合（点線）のほうが、光拡散型光ファイバ１０の所定の長さに亘る平均で、全体の強度Ｉ（ｚ）が高くなることに留意のこと。曲部１３０を使用した他の実施の形態において、出力された散乱光１６Ｓの強度を表す点線が、ｚ’の全ての値について、実線より上にある。
【００６４】
図７Ｂは、曲部１３０が、ファイバの長さに沿った輝度分布における急な山形を形成するためにどのように使用できるかを示す、局所座標ｚ’の関数として輝度Ｂ（ｚ’）（任意単位）をプロットした例示のグラフである。ナノ構造コア２０の低散乱部分（例えば、ナノ構造の内側コア３０）に光１６を送り出すシングルエンド照明（図６Ａ）について、図７Ｃに示されるような輝度Ｂ（ｚ’）、すなわち、各曲部１３０に高輝度部分がある、低い平均輝度が生じ得る。
【００６５】
隔離領域４０の幅Δｒおよびその屈折率ｎ40に応じて、異なる量の曲部１３０により、ナノ構造の内側および外側コア３０および５０の間に異なる量の光結合を得ることができる（上述したように、光結合は、同様に他の要因に依存する）。光拡散型光ファイバ１０が、装置１６０に関して、詳しくは、カバーガラス、透明シートなどの受光基板１６４の周囲１６２に作動可能に配置されている、光拡散型光学系１００が構成されたタブレットまたは携帯電話用途に関する典型的な設置が、図６Ｃに示されている。図６Ｃの例示の曲部構成は、９０度の曲げ角θ130を有する３つの曲部１３０を含む。これにより、図７Ｂに示された輝度分布に似た輝度分布が生じ、そのファイバは、ナノ構造コアの高損失領域への光結合のために、各曲部１３０後により明るくなる。両側照明を使用して、強度Ｉ（ｚ’）を対照にすることができる。一例において、照明の均一性を改善するために、図示したように、光反射部材１７０を使用することができる。
【００６６】
本開示は、その実施の形態および特別な実施例を参照して、ここに図解され、記載されてきたが、他の実施の形態および実施例が同様の機能を果たせる、および／または同様の結果を達成できることが、当業者に容易に明白であろう。そのような同等の実施の形態および実施例の全てが、本開示の精神および範囲内にあり、付随の特許請求の範囲により包含されることが意図されている。本開示に、その精神および範囲から逸脱せずに、様々な変更および改変を行えることも、当業者に明白であろう。このように、本開示は、本開示の改変および変更を、それらが、付随の特許請求の範囲およびその同等物の範囲に入るという条件で、包含することが意図されている。
【００６７】
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
【００６８】
実施形態１
光拡散型光ファイバにおいて、
ａ）ナノ構造コアであって、
ｉ）屈折率ｎ30を有し、第１の量の光散乱を規定する第１の構成の空隙により画成された、ナノ構造の内側コア領域と、
ｉｉ）前記ナノ構造の内側コア領域を取り囲み、屈折率ｎ50を有し、前記第１の量の光散乱とは異なる第２の量の光散乱を規定する第２の構成の空隙により画成された、少なくとも１つのナノ構造の外側コア領域と、
を有するナノ構造コア、および
ｂ）前記ナノ構造コアを取り囲むクラッド、
を備えた光拡散型光ファイバ。
【００６９】
実施形態２
前記第１の量の光散乱が前記第２の量の光散乱より小さい、実施形態１に記載の光拡散型光ファイバ。
【００７０】
実施形態３
前記第１の量の光散乱が前記第２の量の光散乱より大きい、実施形態１に記載の光拡散型光ファイバ。
【００７１】
実施形態４
前記ナノ構造の内側コア領域と前記少なくとも１つのナノ構造の外側コア領域との間に少なくとも１つの環状隔離領域をさらに備え、該隔離領域が、中実であり、ｎ30より大きい屈折率ｎ40、および１μｍ≦Δｒ≦１０μｍの範囲の半径方向幅Δｒを有する、実施形態１から３いずれか１つに記載の光拡散型光ファイバ。
【００７２】
実施形態５
前記ナノ構造コアが、５０μｍ≦ｒ20≦２５０μｍの範囲の半径ｒ20を有する、実施形態４に記載の光拡散型光ファイバ。
【００７３】
実施形態６
前記ナノ構造の内側コア領域が、（０．１）・ｒ20≦ｒ30≦（０．７５）・ｒ20の範囲の半径ｒ30を有する、実施形態４に記載の光拡散型光ファイバ。
【００７４】
実施形態７
前記少なくとも１つのナノ構造の外側コア領域が複数Ｎのナノ構造の外側コア領域を含み、前記ナノ構造コアが複数Ｎの隔離領域を含み、該Ｎの隔離領域の内の１つが、前記ナノ構造の内側コア領域と前記ナノ構造の外側コア領域の最も内側のものとの間に配置されている、実施形態１に記載の光拡散型光ファイバ。
【００７５】
実施形態８
光拡散型光学系において、
実施形態１に記載の光拡散型光ファイバ、および
前記光拡散型光ファイバに光学的に結合した光源、
を備えた光拡散型光学系。
【００７６】
実施形態９
前記光源が、前記光拡散型光ファイバに結合して前記ナノ構造コアを伝わる光を放出し、前記光拡散型光ファイバが外面を有し、前記ナノ構造の内側コア領域および前記ナノ構造の外側コア領域の各々が前記光を散乱光として前記ナノ構造コアから散乱させ、前記光拡散型光ファイバが少なくとも１つの曲部を含み、該少なくとも１つの曲部が、該曲部がない場合と比べて、前記外面を通って放射される散乱光の量を増加させる、実施形態８に記載の光拡散型光学系。
【００７７】
実施形態１０
前記光拡散型光ファイバが、受光基板の周囲に作動可能に配置されている、実施形態９に記載の光拡散型光学系。
【００７８】
実施形態１１
光拡散型光ファイバにおいて、
第１の量の光散乱を規定する第１のナノ構造形態の空隙を有するナノ構造の内側コア領域、
前記内側コア領域を取り囲み、前記第１の量の光散乱とは異なる第２の量の光散乱を規定する第２のナノ構造形態の空隙を有するナノ構造の外側コア領域、
前記ナノ構造の内側および外側コア領域の間に配置され、環状幅１μｍ≦Δｒ≦１０μｍを有する隔離領域、および
前記ナノ構造の外側コア領域を取り囲むクラッド領域、
を備えた光拡散型光ファイバ。
【００７９】
実施形態１２
前記第１の量の光散乱が前記第２の量の光散乱より小さい、実施形態１１に記載の光拡散型光ファイバ。
【００８０】
実施形態１３
前記第１の量の光散乱が前記第２の量の光散乱より大きい、実施形態１１に記載の光拡散型光ファイバ。
【００８１】
実施形態１４
光拡散型光学系において、
実施形態１１に記載の光拡散型光ファイバであって、少なくとも１つの曲部を含む曲部構成を有する光拡散型光ファイバ、および
前記光拡散型光ファイバに光学的に結合した光源、
を備えた光拡散型光学系。
【００８２】
実施形態１５
外面を有する光拡散型光ファイバから照明を提供する方法において
前記光拡散型光ファイバのナノ構造コアであって、第１の量の光散乱を有するナノ構造の内側コア領域および該ナノ構造の内側コア領域を取り囲み、第２の量の光散乱を有するナノ構造の外側コア領域を有するナノ構造コアに光を結合させる工程、
前記光を、前記ナノ構造コアの長さに沿って伝搬させ、前記光拡散型光ファイバの外面から出る散乱光として、該ナノ構造コアから散乱させる工程、および
前記光拡散型光ファイバを曲げて、光を、前記ナノ構造の内側コア領域から前記ナノ構造の外側コア領域に伝達し、それによって、前記光拡散型光ファイバを曲げない場合と比べて、前記外面から出る散乱光の量を増加させる工程、
を有してなる方法。
【００８３】
実施形態１６
前記光拡散型光ファイバを受光基板の周囲に作動可能に配置する工程をさらに有する、実施形態１５に記載の方法。
【００８４】
実施形態１７
前記第１の量の光散乱が前記第２の量の光散乱より小さい、実施形態１５に記載の方法。
【００８５】
実施形態１８
前記第１の量の光散乱が前記第２の量の光散乱より大きい、実施形態１５に記載の方法。
【００８６】
実施形態１９
前記ナノ構造の内側コア領域が屈折率ｎ30を有し、前記ナノ構造の外側コア領域が屈折率ｎ50を有し、該ナノ構造の内側コア領域と該ナノ構造の外側コア領域との間に少なくとも１つの環状隔離領域をさらに備え、該隔離領域が、中実であり、ｎ30、ｎ50より大きい屈折率ｎ40、および１μｍ≦Δｒ≦１０μｍの範囲の半径方向幅Δｒを有する、実施形態１５に記載の方法。
【００８７】
実施形態２０
前記ナノ構造コアが、５０μｍ≦ｒ20≦２５０μｍの範囲の半径ｒ20を有する、実施形態１５に記載の方法。
【符号の説明】
【００８８】
１０    光拡散型光ファイバ
１２    中心軸
１４    外表面
１６    光
１６Ｓ    散乱光
２０    内側コア部分
３０    内側コア領域、内側コア
３２    第１のナノ構造形態
３４、５４    空隙
４０    隔離領域
５０    環状外側コア領域、外側コア
５２    第２のナノ構造形態
１００    外側クラッド、光拡散型光学系
１１０    光源
１２０    光結合系
１３０    曲部
１６０    装置
１６２    周囲
１６４    受光基板
１７０    光反射部材
【図１】
2017536571.tif 000009
【図２】
2017536571.tif 000010
【図３Ａ】
2017536571.tif 000011
【図３Ｂ】
2017536571.tif 000012
【図４Ａ】
2017536571.tif 000013
【図４Ｂ】
2017536571.tif 000014
【図５Ａ】
2017536571.tif 000015
【図５Ｂ】
2017536571.tif 000016
【図６Ａ】
2017536571.tif 000017
【図６Ｂ】
2017536571.tif 000018
【図６Ｃ】
2017536571.tif 000019
【図７Ａ】
2017536571.tif 000020
【図７Ｂ】
2017536571.tif 000021
【図７Ｃ】
2017536571.tif 000022
【国際調査報告】
2017536571.tif 000023
2017536571.tif 000024