JP6782322B2 - 光拡散光ファイバー、ファイバーバンドル及び照明システム - Google Patents

Description

関連出願の相互参照

本出願は、合衆国法典第３５巻第１１９条（ｅ）項に基づき、米国仮出願第６１／２６３,０２３号（出願日：２００９年１１月２０日）の優先権を主張するものである。

本発明はナノサイズ構造体を含む領域を有する光拡散光ファイバーに関し、特には、かかるファイバーを用いた、バイオリアクター、看板、及び特殊照明用途を含む各種用途の照明システムに関するものである。

光源から遠隔地に光を伝達する必要がある多くの用途に光ファイバーが用いられている。例えば、光通信システムは、光ファイバー・ネットワーク上を中継してサービス・プロバイダーからシステム・エンドユーザに光を伝送する。

通信用光ファイバーは、吸収及び散乱による減衰量が比較的小さい領域である８００ｎｍから１６７５ｎｍの近赤外波長領域で動作するよう設計されている。これにより、ファイバーの一端から入射した光は、側面出射した極わずかな量を除き、その大部分が他端から出射することができる。

最近、従来のファイバーより曲げに対し不感なファイバーの必要性が高まっている。この理由は、ファイバーを厳しく曲げる必要がある構成を取る通信システムが益々多くなっているからである。このことがコア領域を囲む非周期的に配列された空孔を含むリング領域を用いた光ファイバーの開発に結び付いた。空孔を含むリング領域により曲げに対する不感性が増大する。即ち、通過する光信号の減衰量を大幅に変えることなく曲げ半径を小さくすることができる。このようなファイバーにおいて、空孔を含むリング領域は、空孔を含むリング領域を伝播する光の量を少なくして光損失の増大を防止するため、光ファイバーのコアから少し離れたクラッドに設けられる。

一般に、光ファイバーは長距離にわたり一端から他端に効率よく光を伝達するよう設計
されるため、標準的なファイバーの側面から光は殆ど漏洩しない。従って、光ファイバーは長尺の照明源に適しているとは見なされない。にもかかわらず、特殊照明、看板、あるいは細菌増殖、光・生物エネルギー及びバイオマス燃料の製造を含む、生物学的用途のように、一定量の光を効率よく指定領域に照射する必要がある用途が多く存在している。バイオマス成長においては、光エネルギーをバイオマスに基づく燃料に変換するプロセスの開発が必要である。特殊照明において、光源は薄く柔軟性に富み容易に多様な形状に変更可能でなければならない。

一部の実施の形態によれば、本発明の第１の態様は２００ｎｍ〜２０００ｎｍの少なくとも１つの波長（λ）の光を発生する照明システムである。このシステムは光源と少なくとも１つの光拡散光ファイバーとを備えている。光拡散光ファイバーはコア及びクラッドを有している。コア内部又はコアとクラッドとの境界に複数のナノサイズ構造体が設けられている。また、光ファイバーは外面及び光源に光学的に接続された端部を有している。光ファイバーは、ナノサイズ構造体を介し、外面を通しコアから導波光を散乱するよう構成され、略均一な放射エネルギーを放出する一定の長さを有する光源ファイバー領域を形成し、前記波長に対する散乱減衰量が５０ｄＢ／ｋｍを超えるものである。一部の実施の形態によれば、ファイバーに接続された光源が２００ｎｍ〜５００ｎｍの波長範囲の光を発生し、ファイバー被膜に含まれる蛍光材料によって白色、緑色、赤色、又はＮＩＲ（近赤外）光が発生される。

一部の実施の形態によれば、照明システムは１つの光拡散ファイバーを備え、別の実施の形態によれば、複数の光拡散ファイバーを備えている。光拡散ファイバーは直線状又は湾曲状に構成してよい。

一部の例示的な実施の形態によれば、照明システムは生体増殖システムに使用することができ、内部に生体材料含めることができる生体室を更に備えている。これ等の実施の形態において、光源は生体材料が反応する波長の光を発生する。ファイバーは、中心軸からコアを抜け外面を通して導波光を散乱することにより、全体にわたり均一な放射エネルギーを放出する長さを有する光源ファイバー領域が形成されるよう、複数の湾曲部を有することができる。

本発明の更なる特徴及び効果が以下の詳細な説明に述べてあり、当業者は以下の説明により容易に理解できると共に、以下の詳細な説明、クレーム、及び添付図面を含む本明細書に記載の本発明を実施することにより認識できる。

上記のように、本発明の少なくとも一部の実施の形態の１つの効果は、遠隔地に効率よく光を伝達することができること及び用途に応じた形状（例えば、湾曲状、螺旋状、直線状）に敷設しても比較的均一に光を散乱することができる光ファイバーの能力を利用した照明システム及び方法である。更に、本発明の一部の実施の形態の１つの効果は、少なくとも一部の例示的な実施の形態における光拡散ファイバーが、２００ｎｍ〜２０００ｎｍの波長範囲における散乱損失Ｌ_Ｓがλ^−ｐに比例する、波長依存性の低い照明を提供することができることである。ここで、ｐは０以上２未満であり、１未満であることが好ましく、０．５未満であることがより好ましく、０．３未満であることが更に好ましい。本発明の少なくとも一部の実施の形態の別の効果は、長さに沿った略均一（例えば、最大値からの変動量が５０％未満、好ましくは３０％未満）な散乱能力及びファイバーの軸からの角度空間において、（ファイバーの軸からの）９０度前方散乱強度と後方散乱強度とをほぼ同じ（例えば、互いに３０％以内、好ましくは２０％以内）にすることができる能力である。

少なくとも一部の実施の形態において、光ファイバーの側面から出射される照明波長における全光強度の変動（即ち、拡散又は散乱光の強度変化）が、対象とするファイバーの長さにおいて３０％未満である。

少なくとも一部の実施の形態において、ファイバーの平均散乱損失が５０ｄＢ／ｋｍを超え、長さ０．２ｍの任意のファイバー領域における散乱損失の変動が３０％以内（即ち、散乱損失が平均散乱損失の±３０％以内）である。少なくとも一部の実施の形態において、ファイバーの平均散乱損失が５０ｄＢ／ｋｍを超え、長さ０．０５ｍ未満のファイバー領域における散乱損失の変動が３０％以内である。少なくとも一部の実施の形態において、ファイバーの平均散乱損失が５０ｄＢ／ｋｍを超え、長さ０．０１ｍのファイバー領域における散乱損失の変動が３０％以内（即ち、±３０％以内）である。

本発明の一部の実施の形態によるファイバー及びかかるファイバーを用いた照明システムの１つの効果は、ファイバーが光源の機能を果たし、高強度の局在光ビームを端部から出射する代わりに、側面を通して均一に散乱することにより所望の媒体に光が照射されることである。更に、一部の実施の形態において、ファイバーを使用することにより、光を届ける場所から離間した場所に電気駆動される光源を設置することができる。このことは水生環境又は爆発の可能性がある環境において最も有益であり、導電性又は反応性環境から離間した安全な場所に電気部品を設置することができる。

前記概要説明及び本発明の実施の形態を示す以下の詳細な説明は特許請求した本発明の本質及び特徴を理解するための要旨又は骨格を提供するためのものである。添付図面は本発明の理解を更に深めるためのものであり、本明細書に組み込まれその一部を構成するものである。図面は各種実施の形態を示すものであって、明細書の記述と併せて本発明の原理及び作用を説明するものである。

例示的実施の形態による光拡散ファイバーの一部を示す側面図。 図１の光ファイバーの２−２線概略断面図。 光拡散ファイバーの例示的実施の形態において、ファイバー半径に対し相対屈折率をプロットした概略図。 光拡散ファイバーの別の例示的実施の形態において、ファイバー半径に対し相対屈折率をプロットした概略図。 光拡散ファイバーの別の例示的実施の形態を示す図。 波長（ｎｍ）に対するｄＢ/ｍ単位のファイバー減衰量（損失量）を示す図。 波長（ｎｍ）に対するｄＢ/ｍ単位のファイバー減衰量（損失量）を示す図。 １つのファイバー内に２つの光経路を設けたファイバーの展開を示す図。 均一張力（実施例Ａ）及び可変張力（実施例Ｂ）によって製造されたファイバーに沿った強度分布を示す図。 白色インクを用いた場合と用いない場合の散乱分布関数を示す図。 図５に示す（ファイバーの後端部に接続された反射鏡を備えた）ファイバー及び被膜に白色インクを用いファイバーの散乱を示す図。 照明システムの例示的実施の形態を示す図。 フラスコの形状を成す生物室と組み合わせて使用される照明システムの例示的実施の形態を示す図。

本発明の更なる特徴及び効果は以下の詳細な説明に述べてあり、当業者にとって、以下の説明により明らかであると共に、クレーム及び添付図面を含め以下に記載の本発明を実施することにより認識することができる。

例を添付図面に示す、現時点における本発明の好ましい実施の形態について説明する。図面全体を通し、同等又は同様の部品については、可能な限り同等又は同様の参照符号で示す。当然のことながら、本明細書に開示する実施の形態は、それぞれ本発明の特定の効果を内包した例に過ぎない。

以下の例に対し、本発明の範囲において、各種改良及び変更が可能であると共に、それぞれの例の態様を組み合わせて更に別の例とすることができる。従って、本発明の真の範囲は、本明細書に開示の実施の形態を含みこれに限定されないことを考慮し、本開示全体から判断されるべきものである。

定義
「水平」、「垂直」、「前」、「後」等の用語及びデカルト座標は、図面の参考及び説明を容易にするために使用したものであり、説明及びクレームにおいて絶対的な配向及び／又は方向を厳密に限定することを意図したものではない。

本発明の以下の説明において、ナノサイズ構造体を含む光拡散ファイバーに関連して以下の用語及び言い回しが使用されている。

「屈折率プロファイル」とは屈折率又は相対屈折率と導波路（ファイバー）の半径との関係を示すものである。

「相対屈折率パーセント」は以下のように定義される。

ここで、ｎ（ｒ）は、別に明記しない限り、半径ｒにおける屈折率である。相対屈折率パーセントは、別に明記しない限り、８５０ｎｍにおいて定義されるものである。１つの態様において、基準屈折率ｎ_ＲＥＦが８５０ｎｍにおける屈折率が１．４５２４９８であるシリカ・ガラスであり、別の態様においては８５０ｎｍにおけるクラッドガラスの最大屈折率である。本明細書において、別に明記しない限り、相対屈折率はΔで表し、その値は「％」単位で示す。ある領域の屈折率が基準屈折率ｎ_ＲＥＦより小さい場合、その相対屈折率パーセントは負となり、陥凹領域又は陥凹屈折率領域と言い、別に明記しない限り、相対屈折率が最も負になる点において最小相対屈折率が算出される。ある領域の相対屈折率が基準屈折率ｎ_ＲＥＦより大きい場合、その相対屈折率パーセントは正となり、その領域を***領域又は正の屈折率領域と呼ぶことができる。

「アップ・ドーパント」とは非ドープ純ＳｉＯ_２に対し、相対屈折率を大きくする傾向があると見なされるドーパントを意味する。「ダウン・ドーパント」とは非ドープ純ＳｉＯ_２に対し、相対屈折率を小さくする傾向があると見なされるドーパントを意味する。アップ・ドーパントは、１つ以上の非アップ・ドーパントを伴う場合、負の相対屈折率を有する光ファイバー領域に存在できる。同様に、アップ・ドーパントではない１つ以上のドーパントは、正の相対屈折率を有する光ファイバー領域に存在できる。ダウン・ドーパントは、１つ以上の非ダウン・ドーパントを伴う場合、正の相対屈折率を有する光ファイバー領域に存在できる。

同様に、ダウン・ドーパントではない１つ以上のドーパントは、負の相対屈折率を有する光ファイバー領域に存在できる。

「αプロファイル」又は「アルファ・プロファイル」とは、％単位のΔ（ｒ）（ｒは半径）で表した相対屈折率プロファイルを意味し、下式に従う。

ここで、ｒ_０はΔ（ｒ）が最大になる点、ｒ_１はΔ（ｒ）％がゼロになる点、ｒはｒ_ｉ≦ｒ≦ｒ_ｆ、Δは前記定義のとおりであり、ｒ_ｉはαプロファイルの初期点、ｒ_ｆはαプロファイルの最終点、αは実指数である。

本明細書において、「放物線状」という用語は、僅かな変動及び/又は中心線ディップを含む、α値が２．０から若干変動するコア内の１つ以上の点における略放物線状の屈折率プロファイルを意味する。一部の例示的実施の形態において、８５０ｎｍで測定したとき、αが１．５を超え２．５未満であり、１．７を超え２．３未満であることが好ましく１．８〜２．３の間が更に好ましい。別の実施の形態において、８５０ｎｍで測定したとき、屈折率プロファイルの１つ以上の領域が、α値が８を超え、好ましくは１０を超え、より好ましくは２０を超える略ステップ型屈折率形状を成している。

「ナノ構造化ファイバー領域」という用語はガスを充満した多数（５０を超える）の空孔、例えば、ファイバーの断面において５０、１００、あるいは２００を超える空孔又はナノサイズ構造体を含む領域又は地域を有するファイバーを意味する。ガス入り空孔には、例えば、ＳＯ_２、Ｋｒ、Ａｒ、ＣＯ_２、Ｎ_２、Ｏ_２、又はこれ等の組合せを含めることができる。本明細書におけるナノサイズ構造体（例えば、空孔）の断面サイズ（例えば、直径）は１０ｎｍ〜１μｍ（例えば、５０ｎｍ〜５００ｎｍ）であり、長さは１ｍｍ〜５０ｍ（例えば、２ｍｍ〜５ｍ、又は５ｍｍ〜１ｍ）である。

標準のシングルモード又はマルチモード光ファイバーにおいて、１３００ｎｍ未満の波長における損失はレイリー散乱によって占められている。レイリー散乱損失Ｌｓは材料の特性によって決まり、一般に可視波長（４００〜７００ｎｍ）において略２０ｄＢ／Ｋｍである。また、レイリー散乱損失は強い波長依存性（即ち、Ｌｓ∝１／λ^４、図４Ｂの比較ファイバーＡ参照）を有しており、これは９５％を超える入射光を消散させるためには少なくとも略１ｋｍ〜２ｋｍのファイバーが必要であることを意味している。かかるファイバーが短い場合には照明効率が低下し、長いファイバー（１ｋｍ〜２ｋｍ、又はそれ以上）を使用すると高価になると共に管理が困難になる。バイオリアクターやその他の照明システムに長尺のファイバーを使用する場合には、設置が面倒である。

照明用途の特定の構成において、例えば、１〜１００ｍの短尺ファイバーの使用が望ましい。そのためには、良好な角散乱特性（ファイバー軸からの均一な光の消散）及びブライトスポットを回避するためのファイバー湾曲部における良好な曲げ特性を維持しつつ、ファイバーの散乱損失を増加させる必要がある。本発明の少なくとも一部の実施の形態における好ましい属性は、ファイバー照明器の長さに沿った均一且つ高照度である。光ファイバーは柔軟性に富むため、多様な照明形状に展開することができる。ファイバーによる照明に３０％を超える変動が生じないよう、好ましくは２０％未満、より好ましくは１０％未満となるよう、ファイバーの湾曲部において（曲げ損失の増加による）ブライトスポットが生じないことが好ましい。例えば、少なくとも一部の実施の形態において、ファイバーの平均散乱損失が５０ｄＢ／ｋｍを超え、長さ０．２ｍの任意のファイバー領域における散乱損失の変動が３０％以内（即ち、散乱損失が平均散乱損失の±３０％以内）である。少なくとも一部の実施の形態において、ファイバーの平均散乱損失が５０ｄＢ／ｋｍを超え、長さ０．０５ｍ未満のファイバー領域における散乱損失の変動が３０％以内である。少なくとも一部の実施の形態において、ファイバーの平均散乱損失が５０ｄＢ／ｋｍを超え、長さ０．０１ｍのファイバー領域における散乱損失の変動が３０％以内（即ち、散乱損失が平均散乱損失の±３０％以内）である。少なくとも一部の実施の形態によれば、ファイバーの平均散乱損失が５０ｄＢ／ｋｍを超え、長さ０．０１ｍのファイバー領域における散乱損失の変動が２０％以内（即ち±２０％以内）、好ましくは１０％以内である。

少なくとも一部の実施の形態において、光ファイバーの側面から出射される照明波長における全（拡散）光強度の変動が、例えば、０．０２〜１００ｍの対象とするファイバーの長さにおいて３０％未満である。クラッド又は被膜に蛍光材料を含めることによって、光ファイバーの側面から出射される照明波長における全光強度を変えることができる。蛍光材料によって散乱される光の波長はファイバー内を伝播する光の波長と異なる。

以下の一部の例示的実施の形態において、コア領域内又はコアの近傍に設けたナノ構造化ファイバー領域（ナノサイズ構造体を有する領域）を有するファイバー構造について説明する。ファイバーに係る一部の実施の形態において、散乱損失が５０ｄＢ／ｋｍを超え（例えば、１００ｄＢ／ｋｍ超、２００ｄＢ／ｋｍ超、５００ｄＢ／ｋｍ超、１０００ｄＢ／ｋｍ超、３０００ｄＢ／ｋｍ超、５０００ｄＢ／ｋｍ超）、その散乱損失（従って、照明、即ちこれ等のファイバーから放射される光）が角度空間において均一である。

ファイバー湾曲部におけるブライトスポットの発生を低減又は排除するため、曲げ直径５０ｍｍ未満にて、ファイバーを９０度屈曲させたときの減衰量の増加が５ｄＢ／ターン（例えば、３ｄＢ／ターン未満、２ｄＢ／ターン未満、１ｄＢ／ターン未満）であることが好ましい。例示的実施の形態において、更に小さい曲げ直径、例えば、２０ｍｍ未満、１０ｍｍ未満、更には５ｍｍ未満において、このような低曲げ損失を達成することができる。曲げ半径５ｍｍにおいて全減衰量の増加が１ｄＢ／９０度ターンであることが好ましい。

一部の実施の形態によれば、曲げ損失が線状ファイバーのコアの固有散乱損失に等しいかそれより低いことが好ましい。固有散乱は主にナノサイズ構造体によるものである。従って、少なくとも光ファイバーの曲げ不感に係る実施の形態によれば、曲げ損失がファイバーの固有散乱損失を超えることはない。しかし、散乱度が曲げ直径の関数であるため、ファイバーの曲げ展開は散乱度に依存する。例えば、一部の実施の形態において、ファイバーの曲げ損失が３ｄＢ／ターン未満、好ましくは２ｄＢ／ターン未満であり、ブライトスポットを形成することなく半径５ｍｍまでファイバーを円弧状に湾曲させることができる。

図１は中心軸（中心線）１６及びコア内に複数の空孔を有する、例示的実施の形態による光拡散光ファイバー１２（以下「ファイバー」と言う）の一部を示す側面図である。図２は図１の光拡散光ファイバー１２の２−２線概略断面図である。例えば、光拡散光ファイバー１２は、周期的又は非周期的なナノサイズ構造体３２（例えば、空孔）を含むナノ構造化ファイバー領域を有する各種光ファイバーであってよい。例示的実施の形態において、ファイバー１２は３つの領域に分けられたコア２０を有している。これ等のコア領域は、密な中心領域２２、ナノ構造化リング領域（内側環状コア領域）２６、及び内側環状コア領域を囲む密な外側領域２８である。クラッド領域４０（クラッド）が環状コア２０を囲み、外面を有している。クラッド４０の屈折率を低くして高開口数（ＮＡ）を得ることができる。例えば、クラッド４０は、ＵＶ又は熱硬化性フルオロアクリレート又はシリコーンのような低屈折率ポリマーであってよい。

光学被膜４４がクラッド４０を囲んでいる。被膜４４は低弾性率一次被膜層及び高弾性率二次被膜層から成ることができる。少なくとも一部の実施の形態において、被膜層４４は、アクリレート又はシリコーンを主成分とするポリマーのようなポリマー被膜から成っている。少なくとも一部の実施の形態において、ファイバーの長さに沿って被膜の直径が一定である。

以下に説明する別の例示的実施の形態において、被膜４４がコア２０からクラッド４０を通過する「放射光」の分布及び／又は性質を向上させるよう設計されている。クラッド４０の外面又は光学被膜４４の外面が、以下に説明する散乱によってファイバー内を伝播する光が出射する、ファイバー１２の「側面」４８を意味している。

保護被膜又はシース（図示せず）がクラッド４０を光学的に覆っている。ファイバー１２はフッ素化クラッド４０を備えることができるが、漏れ損失によって照明特性が低下しない短尺用途に使用される場合にはフッ素化クラッドは必要ない。

一部の例示的実施の形態において、光拡散ファイバー１２のコア領域２６が、内部に非周期的に配列された複数のナノサイズ構造体（例えば、空孔）３２、例えば、図２の拡大差し込み図に詳細に示す例示的な空孔を備えたガラス・マトリックス（ガラス）３１から成っている。別の例示的実施の形態において、フォトニック結晶光ファイバーのように、空孔３２を周期的に配列することができ、一般に空孔の直径は１×１０^−６ｍ〜１×１０^−５ｍである。また、空孔３２は非周期的又はランダムに配列することができる。一部の例示的実施の形態において、領域２６のガラス３１はフッ素をドープしたシリカから成り、別の実施の形態において、ガラス３１は非ドープ純シリカから成っている。空孔の直径は少なくとも１０ｎｍであることが好ましい。

ナノサイズ構造体３２はコア２０からファイバーの外面に向けて光を散乱する。次に、散乱された光がファイバー１２の外面を通して「拡散する」ことにより、望ましい照明が提供される。即ち、光の大部分が（散乱によって）ファイバーの長さ沿って、側面を通して拡散される。ファイバーは、長さ全体にわたり略均一に放射し、放射波長（照明波長）における散乱減衰量が５０ｄＢ／ｋｍを超えることが好ましい。この波長における散乱減衰量が１００ｄＢ／ｋｍを超えることが好ましい。一部の実施の形態において、照明波長における散乱減衰量が５００ｄＢ／ｋｍを超え、別の実施の形態において、１０００ｄＢ／ｋｍ超、２０００ｄＢ／ｋｍ超、及び５０００ｄＢ／ｋｍ超である。このような高散乱損失は、標準のシングルモード及びマルチモード光ファイバーのレイリー散乱損失の２．５〜２５０倍である。

コア領域２２及び２８のガラスはＧｅ、Ａｌ、及び／又はＰのようなアップ・ドーパントを含むことができる。「非周期的に配列された」又は「非周期的分布」とは、光ファイバーを（図２に示すように）輪切りにしたとき、ファイバーの一部を横断して空孔３２がランダム又は非周期的に分布していることを意味する。ファイバーの長さに沿った別の位置における同様の横断面は別の断面空孔パターンを呈している、即ち、断面によって空孔パターンが異なり空孔の分布及びサイズが一致しない。即ち、空孔が非周期的であり、ファイバー構造内において周期的に配列されていない。これ等の空孔は、光ファイバーの長さに沿って（即ち、縦軸に平行に）延長されるが、伝送ファイバーの標準的な長さ全体にわたり延長されることはない。理論に拘束されるものではないが、光ファイバーの長さに沿った空孔の延長は１０ｍ未満であって、多くの場合は１ｍ未満である。

本明細書において照明システムに使用される光拡散ファイバー１２は、圧密ガラスの空所に大量のガスが閉じ込められる母材圧密条件を用いる方法によって製造され、それにより圧密ガラス光ファイバー・プリフォームに空孔が形成される。これ等の空孔を除去するステップを実施せず、得られたファイバーを用いて内部に空孔、即ちナノサイズ構造体を含む光ファイバーが形成される。得られたファイバーのナノサイズ構造体、即ち空孔を用いて、ファイバーの長さに沿った側面を通して光が外部に散乱又は導波される。即ち、ファイバーの外面を通して、コア２０から光が導波されることにより、所望の照明が得られる。

本明細書において、空孔のようなナノサイズ構造体の直径は、ファイバーの縦軸に直角な垂直断面でファイバーを見たとき、その終点が‐‐‐‐‐‐最も長い線分を意味する。ナノサイズ空孔を含む光ファイバーの製造方法は、例えば、ここに引用することにより本明細書に組み込まれたものとする、米国特許出願第１１/５８３，０９８号明細書に記載されている。

前記のように、ファイバー１２の一部の実施の形態において、コア領域２２及び２８はゲルマニウムをドープしたシリカ、即ち、ゲルマニウム・ドープ・シリカから成っている。光ファイバーのコア、特に中心線１６又はその近傍にゲルマニウム以外のドーパントを単独又は組み合わせて使用することにより、所望の屈折率及び密度を得ることができる。少なくとも一部の実施の形態において、本明細書に開示した光ファイバーの相対屈折率プロファイルが領域２２及び２８において正又はゼロである。このようなドーパントは、例えば、Ａｌ、Ｔｉ、Ｐ、Ｇｅ、又はこれ等の組合せであってよい。少なくとも一部の実施の形態において、光ファイバーは屈折率を低下させるドーパントをコアに含んでいない。一部の実施の形態において、本明細書に開示した光ファイバーの相対屈折率プロファイルが領域２２、２４、及び２８において正又はゼロである。

ファイバー１２の一部の例において、コア２０が純シリカから成っている。１つの実施の形態において、ファイバーの好ましい属性は、生体材料が反応する所望のスペクトル範囲の光を外部に散乱する能力である。別の実施の形態において、装飾のアクセント及び
白色光用途として散乱光を用いることができる。ファイバーのガラス特性、ナノ構造化領域２６の幅、及びナノサイズ構造体のサイズ及び密度を変更することにより、散乱損失を増加させることができる。

ファイバー１２の一部の例において、コア２０がグレーデッド・インデックス・コアであり、コアの屈折率プロファイルが放物線（又は略放物線）形状を成していることが好ましい。例えば、一部の例において、コア２０の屈折率プロファイルがα形状を成し、８５０ｎｍにおけるαの値が略２、好ましくは１．８〜２．３である。別の実施の形態において、屈折率プロファイルの１つ以上の領域が略ステップ型屈折率形状を成し、８５０ｎｍにおけるαの値が８超、より好ましくは１０超、更に好ましくは２０超である。一部の実施の形態において、コアの屈折率が中心線ディップを有し、コアの最大屈折率及び光ファイバー全体の最大屈折率が中心線１６から僅かに離れた位置に存在するが、別の実施の形態において、コアの屈折率が中心線ディップを有さず、コアの最大屈折率及び光ファイバー全体の最大屈折率が中心線に存在している。

例示的実施の形態において、ファイバー１２がシリカを主成分とするコア２０及び（シリカに対し）陥凹屈折率を有するポリマーから成るクラッド４０を有している。低屈折率のポリマーから成るクラッド４０は負の相対屈折率を有していることが好ましく、−０．５％未満であることがより好ましく、−１％未満であることが更に好ましい。一部の例示的実施の形態において、クラッド４０の厚さが２０μｍ以上である。一部の例示的実施の形態において、クラッド４０はコアより低い屈折率を有し、厚さが１０μｍ以上（例えば、２０μｍ以上）である。一部の例示的実施の形態において、クラッドの外径がＲ_ｍａｘの２倍、例えば、略１２５μｍ（例えば、１２０μｍ〜１３０μｍ又は１２３μｍ〜１２８μｍ）である。別の実施の形態において、クラッドの直径が１２０μｍ未満、例えば、６０又は８０μｍである。別の実施の形態において、クラッドの外径が２００μｍ超、３００μｍ超、又は５００μｍ超である。一部の実施の形態において、クラッドの外径がファイバー１２の長さに沿って一定である。一部の実施の形態において、ファイバー１２の屈折率が放射相称である。コアの外径２Ｒ_３はファイバーの長さに沿って一定である。コア領域２２、２６、及び２８の外径もファイバーの長さに沿って一定である。一定というのは平均値に対し直径の変動が１０％未満のことを意味し、５％未満であることが好ましく、２％未満であることがより好ましい。図３Ａは、図２の例示的ファイバー１２の半径（実線）に対する、例示的相対屈折率Δをプロットした図である。コア２０は、例えば、α値が１．８〜２．３（例えば、１．８〜２．１）であるグレーデッド・コア・プロファイルを有することもできる。

図３Ａは、図２の例示的ファイバー１２の半径に対する例示的相対屈折率Δをプロットした図である（実線）。コア２０は、例えば、α値１．７〜２．３（例えば、１．８〜２．３）によって特徴付けられるグレーデッド・コア・プロファイルを有することもできる。別の例示的屈折率プロファイルを破線で示す。コア２２が中心線から外側の外半径Ｒ_１に向け放射状に延び、最大屈折率ｎ_１（及び相対屈折率パーセントΔ_１ＭＡＸ）に対応する相対屈折率プロファイルΔ_１（ｒ）を有している。本実施の形態において、基準屈折率ｎ_ＲＥＦはクラッドの屈折率である。第２のコア領域（ナノ構造化領域）２６は、最小屈折率ｎ_２、相対屈折率プロファイルΔ_２（ｒ）、最大相対屈折率Δ_２ＭＡＸ、及び最小相対屈折率Δ_２ＭＩＮを有し、一部の実施の形態においてΔ_２ＭＡＸ＝Δ_２ＭＩＮである。第３のコア領域２８は屈折率ｎ_３、相対屈折率プロファイルΔ_３（ｒ）、最大相対屈折率Δ_３ＭＡＸ、及び最小相対屈折率Δ_３ＭＩＮを有し、一部の実施の形態においてΔ_３ＭＡＸ＝Δ_３ＭＩＮである。本実施の形態において、環状クラッド４０は屈折率ｎ_４、相対屈折率プロファイルΔ_４（ｒ）最大相対屈折率Δ_４ＭＡＸ、及び最小相対屈折率Δ_４ＭＩＮを有し、一部の実施の形態においてΔ_４ＭＡＸ＝Δ_４ＭＩＮである。一部の実施の形態において、Δ_１ＭＡＸ＞Δ_４ＭＡＸ及びΔ_３ＭＡＸ＞Δ_４ＭＡＸである。一部の実施の形態において、Δ_２ＭＩＮ＞Δ_４ＭＡＸである。図２及び３Ａに示す実施の形態において、Δ_１ＭＡＸ＞Δ_３ＭＡＸ＞Δ_２ＭＡＸ＞Δ_４ＭＡＸである。本実施の形態において、これ等の領域の屈折率はｎ_１＞ｎ_３＞ｎ_２＞ｎ_４という関係を有している。

一部の実施の形態において、図３Ａの一定なΔ_１（ｒ）及びΔ_３（ｒ）が示すように、コア領域２２及び２８が略一定の屈折率プロファイルを有している。これ等の実施の形態の一部において、Δ_２（ｒ）が僅かに正（０＜Δ_２（ｒ）＜０．１％）、負（−０．１％＜Δ_２（ｒ）＜０）、又は０％である。一部の実施の形態において、Δ_２（ｒ）の大きさの絶対値は０．１％未満であり、０．０５％未満であることが好ましい。一部の実施の形態において、図３Ａの一定なΔ_４（ｒ）が示すように、外側のクラッド領域４０が略一定の屈折率プロファイルを有している。これ等の実施の形態の一部において、Δ_４（ｒ）＝０％である。コア領域２２の屈折率Δ_１（ｒ）は、Δ_１（ｒ）≧０％である。一部の実施の形態において、空孔によって占められた領域２６が、絶対値が０．０５％未満である負の屈折率を有する相対屈折率プロファイルΔ_２（ｒ）を有し、コア領域２８のΔ_３（ｒ）が、例えば、正又はゼロである。少なくとも一部の実施の形態において、ｎ_１＞ｎ_２であり、ｎ_３＞ｎ_４である。

一部の実施の形態において、クラッド４０の屈折率が−０．０５％＜Δ_４（ｒ）＜０．０５％である。別の実施の形態において、クラッド４０及びコア領域２２、２６、及び２８が純（非ドープ）シリカから成っている。

一部の実施の形態において、クラッド４０が純シリカ又はＦをドープしたシリカから成っている。一部の実施の形態において、クラッド４０が低屈折率の純ポリマーから成っている。一部の実施の形態において、ナノ構造化領域２６が複数の空孔３２を有する純シリカから成っている。ナノ構造化領域２６は空孔の存在を考慮し、その最小相対屈折率及び平均有効相対屈折率の何れも−０．１％未満であることが好ましい。空孔又は空孔３２にはアルゴン、窒素、酸素、クリプトン、又はＳＯ_２のようなガスを含めることも実質的にガスを含まない真空とすることもできる。しかし、ガスの有無に関わりなく、ナノ構造化領域２６の平均屈折率は空孔３２の存在により低下する。空孔３２はナノ構造化領域２６にランダム又は非周期的に配列することができ、別の実施の形態においては周期的に配列される。

一部の実施の形態において、複数の空孔３２が非周期的に配列された複数の空孔及び周期的に配列された複数の空孔から成っている。

例示的実施の形態において、コア領域２２が酸化ゲルマニウムをドープしたシリカから成り、コア内部環状領域２８が純シリカから成り、クラッド環状領域４０がガラス又は低屈折率ポリマーから成っている。これ等の実施の形態の一部において、ナノ構造化領域２６が複数の空孔３２を有する純シリカから成り、別の一部の実施の形態において、ナノ構造化領域２６が複数の空孔３２を有するフッ素をドープしたシリカから成っている。

一部の実施の形態において、コアの外半径Ｒ_Ｃが１０μｍ超、６００μｍ未満である。一部の実施の形態において、コアの外半径Ｒ_Ｃが３０μｍ超及び／又は４００μｍ未満である。例えば、Ｒ_Ｃは１２５μｍ〜３００μｍである。別の実施の形態において、コア２０の外半径Ｒ_Ｃ（図３Ａの実施の形態において、Ｒ_Ｃ＝Ｒ_３である）が５０μｍ超、２５０μｍ未満である。コア２０の中心領域２２の半径は０．１Ｒ_Ｃ≦Ｒ_１≦０．９Ｒ_Ｃであり、０．５Ｒ_Ｃ≦Ｒ_１≦０．９Ｒ_Ｃであることが好ましい。ナノ構造化領域２６の幅Ｗ_２は０．０５Ｒ_Ｃ≦Ｗ_２≦０．９Ｒ_Ｃであることが好ましく、０．１Ｒ_Ｃ≦Ｗ_２≦０．９Ｒ_Ｃであることがより好ましく、一部の実施の形態において、０．５Ｒ_Ｃ≦Ｗ_２≦０．９Ｒ_Ｃである（同じナノサイズ構造密度において、ナノ構造化領域の幅が広ければ広いほど散乱減衰量が多くなる）。密なガラス・コア領域２８の幅Ｗｓ＝Ｗ_３が０．１Ｒ_Ｃ＜Ｗ_３＜０．９Ｒ_Ｃである。コア２０の各領域がシリカを主成分とするガラスから成っている。ナノ構造化領域２６のラジアル幅Ｗ_２は１μｍ超であることが好ましい。例えば、Ｗ_２は５μｍ〜３００μｍであり、２００μｍ以下であることが好ましい。一部の実施の形態において、Ｗ_２が２μｍ超、１００μｍ未満である。別の実施の形態において、Ｗ_２は２μｍ超、５０μｍ未満である。別の実施の形態において、Ｗ_２は２μｍ超、２０μｍ未満である。一部の実施の形態において、Ｗ_２は少なくとも７μｍである。別の実施の形態において、Ｗ_２は２μｍ超、１２μｍ未満である。コア領域２８の幅Ｗ_３は（Ｒ_３−Ｒ_２）であり、その中点Ｒ_３ＭＩＤは（Ｒ_２＋Ｒ_３）／２である。一部の実施の形態において、Ｗ_３が１μｍ超、１００μｍ未満である。

ファイバー１２の開口数（ＮＡ）はそこに光を入射する光源のＮＡ以上であることが好ましい。ファイバー１２の開口数（ＮＡ）は０．２より大きいことが好ましく、一部の実施の形態において０．３より大きく、０．４より大きいことがより好ましい。

一部の実施の形態において、第１のコア領域２２のコア外半径Ｒ_１が２４μｍ以上、５０μｍ以下であることが好ましい、即ち、コア径が略４８から１００μｍであることが好ましい。別の実施の形態において、Ｒ_１＞２４μｍ、更に別の実施の形態において、Ｒ_１＞３０μｍ、更に別の実施の形態において、Ｒ_１＞４０μｍである。

一部の実施の形態において、内側環状領域２６のラジアル幅の５０％を超える領域が|Δ_２（ｒ）|＜０．０２５％であり、別の実施の形態において、内側環状領域２６のラジアル幅の５０％を超える領域が|Δ_２（ｒ）|＜０．０１％である。陥凹屈折率環状領域２６は、中心線から外側に向けて放射状に見て、クラッドに対する相対屈折率が最初に−０．０５％未満になる点から開始する。一部の実施の形態において、クラッド４０が最大絶対値が０．１％未満の相対屈折率プロファイルΔ_４（ｒ）を有し、本実施の形態において、Δ_４ＭＡＸ＜０．０５％及びΔ_４ＭＩＮ＞−０．０５％であり、最も外側の空孔が位置する点において陥凹屈折率環状領域２６が終了する。

光ファイバーの最外周でもある半径Ｒ_４にクラッド４０が広がっている。一部の実施の形態において、クラッドの幅、Ｒ_４−Ｒ_３が２０μｍを超え、別の実施の形態において、Ｒ_４−Ｒ_３が少なくとも５０μｍであり、一部の実施の形態において、Ｒ_４−Ｒ_３が少なくとも７０μｍである。

別の実施の形態において、コア２０全体がナノ構造化され（例えば、空孔で占められ）、クラッド４０に囲まれている。コア２０は、「ステップ型」屈折率デルタ・プロファイル又は、例えば、α値が１．８〜２．３であるαプロファイルのグレーデッド・インデックス・コア・プロファイルを有することができる。

光学プリフォーム及び、例えば、図３Ｃ、４Ａ、及び６〜８に示すファイバーは以下のようにして製造した。本例示的実施の形態において、４７０グラムのＳｉＯ_２のスート（濃度０．５ｇ/ｃｃ）を外付け蒸着（ＯＶＤ）により、長さ１ｍ、直径２０ｍｍの完全に圧密され空孔のない純シリカ・コア・ケーンに堆積することにより、スートシリカ領域に囲まれた空孔のない圧密シリカ・コア領域から成るプリフォーム・アセンブリ（ときによりプリフォームあるいは光学プリフォームとも呼ばれる）を得た。このプリフォーム・アセンブリのスートクラッドを以下のようにして焼結した。まず、加熱炉の上部ゾーンにおいて、ヘリウム及び３％の塩素（ガスのパーセントはすべて体積パーセント）から成る環境下でプリフォーム・アセンブリを１１００℃にて２時間乾燥させた後、１００（体積）パーセントのＳＯ_２焼結環境下において、略１５００℃に設定したホットゾーンを通し、２００ｍｍ／分（スートプリフォーム外面にける略１００℃／分の温度上昇に相当）にて下方にドライブした。次に、このプリフォーム・アセンブリを、ホットゾーンを通して１００ｍｍ／分（スートプリフォーム外面における略５０℃／分の温度上昇に相当）にて再度（即ち、２度目の）下方ドライブを行った。次に、このプリフォーム・アセンブリを、ホットゾーンを通して５０ｍｍ／分（スートプリフォーム外面における略２５℃／分の温度上昇に相当）にて再度（即ち、３度目の）下方ドライブを行った。次に、このプリフォーム・アセンブリを、ホットゾーンを通して２５ｍｍ／分（スートプリフォーム外面における略１２．５℃／分の温度上昇に相当）にて再度（即ち、４度目の）下方ドライブを行った。最後に、スートを焼結してＳＯ_２を種添加したシリカに覆われたプリフォームとするため、このプリフォーム・アセンブリを、６ｍｍ／分（略３℃／分の加熱速度）にて焼結した。各下方ドライブを行った後、プリフォーム・アセンブリを２００ｍｍ／分にて（１１００℃に設定されたままの）加熱炉の上部ゾーンに上方ドライブした。第１シリーズの高速下方フィードは、光ファイバー・プリフォームの外面を艶出しするためのものであり、これによってプリフォーム内へのガスの閉じ込めが促進される。次に、このプリフォームを１０００℃に設定したアルゴン・パージ保持オーブンに２４時間保持し、プリフォーム内に残留しているヘリウムを抜いた。次に、このプリフォームを、アルゴン環境下において、略１７００℃に設定した従来のグラファイト・リドロー加熱炉により、ＳＯ_２を種添加した（即ち、ＳＯ_２ガスを含む非周期的に配列された空孔を含む）シリカに覆われた直径１０ｍｍ、長さ１ｍの空孔のないＳｉＯ_２コア・ケーンにリドローした。

１０ｍｍのコア・ケーンの１つを旋盤に戻し、略１９０グラムのＳｉＯ_２のスート（濃度０．５２ｇ/ｃｃ）をＣＶＤにより追加蒸着した。次に、コア・アセンブリの（オーバー・クラッドとも言える）このクラッドのスートを以下のようにして焼結した。まず、ヘリウム及び３％の塩素から成る環境下において、プリフォーム・アセンブリを１１００℃にて２時間乾燥させた後、スートを焼結して酸化ゲルマニウムを含む空孔のないシリカ・コア、ＳＯ_２を種添加したシリカ・リング（即ちＳＯ_２を含む空孔を有するシリカ）、及び空孔のないオーバー・クラッドから成るプリフォームを形成するため、１００（体積）％のヘリウム環境下において、１５００℃に設定したホットゾーンを通して、５ｍｍ／分にて下方にドライブした。次に、このプリフォームを１０００℃に設定したアルゴン・パージ保持オーブンに２４時間保持し、プリフォーム内に残留しているヘリウムを抜いた。この光ファイバー・プリフォームを、グラファイト抵抗加熱炉を用い、ヘリウム環境下において、略１９００℃〜２０００℃にて、長さ３ｋｍ、直径１２５μｍの光ファイバーに線引きした。光ファイバーの張力を監視・制御することにより、この光学プリフォームの温度を制御した。本実施の形態において、ファイバー線引き走行の各領域（例えば、長さ３ｋｍ）にわたり、ファイバーの張力を３０〜６００グラム内の１つの値に保持した。線引き工程の間に低屈折率シリコーンを主成分とする被膜をファイバーに施した。

前記空孔のないシリカ・コア及びＳＯ_２を種添加したシリカのオーバー・クラッドから成る別の直径１０ｍｍのケーン（即ち第２のケーン）を用いて、光学プリフォーム及び、例えば、図４Ｂに示すファイバーを製造した。具体的には、空孔のないシリカ・コア及びＳＯ_２を種添加したシリカのオーバー・クラッドから成る直径１０ｍｍの第２のケーンを旋盤に戻し、略３７５０グラムのＳｉＯ_２のスート（濃度０．６７ｇ/ｃｃ）をＣＶＤにより追加蒸着した。次に、（アセンブリのオーバー・クラッドとも言える）このクラッドのスートを以下のようにして焼結した。まず、ヘリウム及び３％の塩素から成る環境下において、アセンブリを１１００℃にて２時間乾燥させた後、スートを焼結して酸化ゲルマニウムを含む空孔のないシリカ・コア、ＳＯ_２を種添加したシリカ・リング（即ちＳＯ_２を含む空孔を有するシリカ）、及び空孔のないオーバー・クラッドから成るプリフォームを形成するため、１００（体積）％のヘリウム環境下において、１５００℃に設定したホットゾーンを通し、５ｍｍ／分にて下方にドライブした。得られた光ファイバー・プリフォームを１０００℃に設定したアルゴン・パージ保持オーブンに２４時間保持し、プリフォーム内に残留しているヘリウムを抜いた。最後に、この光ファイバー・プリフォームを長さ５ｋｍ、直径１２５μｍの光ファイバーに線引きし、前記のように低屈折率ポリマーで被膜を施した。

図３Ｂは光拡散ファイバーの更に別の例示的実施の形態を示す概略図である。図３Ｂのファイバーは、相対屈折率Δ_１を有するコア２０及びコア２０の外側を囲むナノ構造化領域２６’を有している。コア２０は「ステップ型」屈折率プロファイル又は、例えば、α値が１．８〜２．３のαプロファイルのグレーデッド・コア・プロファイル有することができる。

本例示的実施の形態（図３Ｂ）において、ナノ構造化領域２６’が複数の空孔３２を含む環状リングである。本実施の形態において、領域２６’の幅は１〜２μｍまで小さくすることができ、負の平均相対屈折率Δ_２を有している。クラッド４０がナノ構造化領域２６’を囲んでいる。クラッド４０の（ラジアル）幅は１μｍまで小さくすることができ、（純シリカに対し）負、正、又は０％の相対屈折率を有することができる。図３Ａ及び３Ｂに示す例の主な違いは、図３Ａのナノ構造化領域が光拡散ファイバー１２のコア２０内に設けられているのに対し、図３Ｂのナノ構造化領域はコアとクラッドとの界面に設けられていることである。陥凹屈折率環状領域２６’は、中心線から外側に向けて放射状に見て、コアの相対屈折率が最初に−０．０５％未満になる点から開始する。図３Ｂの実施の形態において、最大絶対値が０．１％未満の相対屈折率プロファイルΔ_３（ｒ）をクラッド４０が有し、本実施の形態において、Δ_３ＭＡＸ＜０．０５％及びΔ_３ＭＩＮ＞−０．０５％であり、空孔で占められた領域において最も外側の空孔が位置する点において陥凹屈折率環状領域２６’が終了する。

図３Ｂの実施の形態において、コア２０の屈折率が環状領域２６’の屈折率ｎ_２より大きいと共に、クラッド４０の屈折率ｎ_３も屈折率ｎ_２より大きい。図３Ｃは１つの実施の形態において製造された光ファイバー１２のコア２０を示す図である。このファイバーは、外半径Ｒ_１が略３３．４μｍの第１のコア領域２２、外半径Ｒ_２が４２．８μｍのナノ構造化領域２６、外半径Ｒ_３が６２．５μｍの第３のコア領域２８、及び外半径Ｒ_４が８２．５μｍのポリマー・クラッド４０（図示せず）を有している。本実施の形態において、コアの材料が純シリカ（非ドープシリカ）であり、クラッドの材料が低屈折率ポリマー（例えば、ミシガン州、ミッドランドのダウコーニング社が販売している商品名Ｑ３−６６９６の屈折率が１．４１３であるＵＶ硬化シリコーン）であり、この２つによって開口数０．３のファイバーを得ることができる。光ファイバー１２は、例えば、図４ＢのＳＭＦ２８ｅ（登録商標）ファイバーのような標準のシングルモード伝送ファイバーに対し、比較的平坦な（弱い）波長依存性を有している。標準のシングルモード（例えば、（ＳＭＦ２８ｅ））又はマルチモード光ファイバーにおいて、１３００ｎｍ未満の波長における損失はレイリー散乱によって占められている。レイリー散乱損失は材料の特性によって決まり、一般に可視波長（４００〜７００ｎｍ）において略２０ｄＢ／Ｋｍである。レイリー散乱損失の波長依存性はλ^−ｐ（ｐ≒４）である。少なくとも１つのナノ構造化領域を有するファイバーの波長依存散乱損失の指数が、４００ｎｍ〜１１００ｎｍの波長範囲の少なくとも８０％（例えば９０％超）において、２未満であり、１未満であることが好ましい。４０ｇの張力でファイバーを線引きしたとき、４００ｎｍ〜１１００ｎｍにおける平均スペクトル減衰量は略０．４ｄＢ／ｍであり、９０ｇの張力で線引きしたとき、略０．１ｄＢ／ｍであった。本実施の形態において、ナノサイズ構造体がＳＯ_２ガスを含んでいる。出願者はナノ構造化リングにおいてＳＯ_２を含む空孔が散乱に大きく貢献することを見出した。更に、ＳＯ_２ガスを用いてナノ構造体を形成すると、このガスによって温度可逆性を有する損失、即ち、ナノ構造化ファイバー１２が、６００℃未満において光を散乱し、６００℃を超えると導波する特性が得られることを見出した。ＳＯ_２によって与えられるこの独特な作用も、同じファイバー１２を６００℃未満に冷却すると、再度光散乱ファイバーとして機能し観測可能な散乱効果が得られるという点で可逆性を有している。

好ましい実施の形態において、ファイバーの線引き工程において張力を制御することにより、最小照度が最大照度の０．７以上となるようファイバーの長さに沿った照度の均一性が制御される。

ナノサイズ構造体が光拡散ファイバー１２に存在することにより、光の散乱による損失が生じ、ファイバーの外面を通して散乱する光を照明に利用することができる。図４Ａは図３Ｃのファイバー（ＳＯ２ガスを含む空孔を有するファイバー）の波長（ｎｍ）に対するｄＢ／ｍ単位の減衰量（損失）をプロットした図である。図４Ａは光拡散ファイバー１２が、可視波長域において、非常に大きな散乱損失（従って、高照度）を達成できることを示している。また、光ファイバー１２の散乱損失の波長依存性は、可視波長におけるレイリー散乱損失が略０．０２ｄＢ／ｍ、又は波長５００ｎｍにおける損失が略２０ｄＢ／ｋｍであって、１／λ^４という比較的強い波長依存性を有する標準の１２５μｍのグレーデッド・インデックス・コアのマルチモード・ファイバーＡ（ナノ構造化領域を有していないステップ・インデックス・マルチモード・ファイバー）と比較して弱い（Ｌ_Ｓがλ^−ｐに比例し、ここで、ｐは２未満であり、好ましくは１未満、より好ましくは０．５未満である）。図４Ａ、４Ｂはファイバーの張力の影響も示している。具体的には、図４Ａ、４Ｂはファイバー線引き張力が高ければ散乱損失が小さくなり、ファイバー線引き張力が低ければ散乱損失が大きくなる、即ち、照度が大きくなる。図４Ａはそれぞれ９０及び４００ｇの張力で線引きした（コア内に空孔を有する）光拡散ファイバー１２の波長を関数とする減衰量を示したものである。図４Ｂはそれぞれ９０及び４０ｇの張力で線引きした（コア内に空孔を有する）別の光拡散ファイバー１２の波長を関数とする減衰量、比較用のマルチモード・ファイバー（ファイバーＡ）の正規化損失、及び１／λ損失依存性を有する理論的ファイバーを示している。（図４Ｂのグラフは損失の波長依存性を示すものである。本例においては、ファイバー１２とファイバーＡとの散乱傾斜を比較するため、低損失ファイバー（ファイバーＡ）の損失を２０倍して同一図面上に描いた。）特定の理論に拘束されるものではないが、例えば、９０ｇから４０ｇに線引き張力を低下させたとき散乱損失が増加する理由は、ナノ構造体の平均直径が増加するためと考えられている。従って、このファイバー張力の効果を利用し、線引き工程において、ファイバーの張力を変えることにより、ファイバーの長さに沿って一定の減衰量（照度）を得ることができる。例えば、高張力Ｔ１で線引きされ、損失がα１ｄＢ／ｍ、長さＬ１の第１のファイバー領域は、入力光パワーＰ０をＰ０ｅｘｐ（−α１＊Ｌ１／４．３４３）に減衰する。第１のファイバー領域に光学的に接続された第２のファイバー領域であって、Ｔ１より低いＴ２の張力で線引きされ、損失がα２ｄＢ／ｍ、長さＬ２のファイバー領域により、光パワーＰ０ｅｘｐ（−α１＊Ｌ１／４．３４３）が更にＰ０ｅｘｐ（−α１＊Ｌ１／４．３４３）ｅｘｐ（−α２＊Ｌ２／４．３４３）に減衰される。第１及び第２のファイバー領域の長さ及び減衰量を調整することにより、連結ファイバーの長さに沿って均一な強度を得ることができる。

光拡散ファイバー１２の１つの効果は、長さに沿って均一な照度が得られることである。図５は１つの光拡散ファイバー１２に２つの光路を設け、長さに沿って均一な照度が得られるようにした構成を示す図である。本構成において、光拡散ファイバー１２の終端部にミラーＭが配置される。光源１５０から光拡散ファイバー１２に入射した光がファイバー１２の軸に沿って伝搬し、残留光がミラーによって反射され、ファイバー１２の軸に沿って、入力側に向かって反対方向に伝搬する。ファイバー１２の減衰量及び長さを適切に選択することにより、光源に戻される光パワーは元の光パワーの２％〜５％未満になる。一定の損失分布を有するファイバー（図４Ａ）の散乱損失は、ファイバーの開始側で大きく終端側で小さい。しかし、ファイバーの開始側で散乱損失が小さく、即ち、強度が大きくなり、終端側で大きく、即ち、強度が小さくなるよう、周期的に制御された張力（張力の値は、１８００℃〜２１００℃の間で変動する加熱炉の温度に関連している）で光拡散ファイバー１２が線引きされた場合には、散乱強度の変動をより小さく、即ち、一定にすることができる（例えば、図６Ａに示す例Ｃ）。例えば、ファイバーの線引き張力は４０ｇ〜４００ｇの間において制御及び変化させることができるため、広範囲（最大で６倍まで）にわたる散乱減衰量を得ることができる。また、更に均一な照度を得ると同時にファイバーの散乱光量を増加させるため、図５のミラーＭを第１の光源と同様の出力パワー（２の因数の範囲内、即ち、５０％〜２００％の範囲）を有する第２の光源に置換することができる。

バイオリアクター／照明システムの例示的実施の形態の１つの態様は、散乱光強度の角度分布が角度空間において均一又は略均一であるということである。ファイバーの表面から軸の周りに散乱する光は、平均散乱強度に対し５０％未満、好ましくは３０％未満、より好ましくは２０％未満、更に好ましくは１０％未満の変動を有する。ナノサイズ構造体を有していない従来のシリカを主成分とする光ファイバーの主要な散乱メカニズムは広い角度分布を有するレイリー散乱である。ナノ構造化リングの空孔による付加散乱損失を有するファイバー１２は、図６Ａ（実施の形態ａ及びｂ）及び図６Ｂ（実施の形態ａ’）に示すように強い前方成分を有している。しかし、光拡散ファイバー１２の被膜の上部に散乱材料を設けることにより、このような分布を補正することができる。ＴｉＯ_２を主成分とする白色インクを含む被膜を備えた（図６Ｂの実施の形態ｂ’）光拡散ファイバーにより、前方への偏りが顕著に小さい散乱光の角度分布を得ることができる。ＴｉＯ_２インクから成る厚い（例えば、１〜５μｍ）付加層により、前方散乱成分を更に減らすことができるため、角度強度分布の均一性を向上させることができる。しかし、図７に示すように、後方反射ミラー又は付加光源に光学的に接続されたファイバー（図５）を照明器の構成に採用した場合、ＴｉＯ_２を主成分とする白色インク被膜層を設けなくても、比較的平坦（即ち、非常に均一）な角度散乱強度を得ることができる（図６Ａ）。一部の実施の形態において、制御下においてインク被膜（インク被膜の厚さ又は被膜のインク濃度）をファイバーの長さに沿って変化させることにより、大きな角度（１５度超）でファイバーから散乱された光の強度変動を更に均一にすることができる。

一部の実施の形態において、インクは散乱光を波長のより長い光に変換する蛍光材料から成ることができる。一部の実施の形態において、例えば、４０５ｎｍ又は４４５ｎｍダイオード・レーザーのようなＵＶ光源に接続することにより、かかる被膜を備えたファイバー１２から白色光を出射（外面から拡散）させることができる。例示的実施の形態における蛍光白色光の角度分布は略均一である（例えば、角度空間において、２５％〜４００％、好ましくは５０％〜２００％、より好ましくは５０％〜１５０％又は７０％〜１３０％、又は８０％〜１２０％）。

照明システムの構成
発光ダイオード（ＬＥＤ）や太陽光のような安価な光源にファイバーを効率よく接続するためには、高い開口数と大きなコア径が必要である。図２と同様の構成により、マルチモード・コアのサイズを最大にすることができ、半径を最大５００μｍまでとすることができる。クラッドの厚さはこれより遥かに小さく、例えば、略１５〜３０μｍ（例えば、略２０μｍ）である。例えば、１つの実施の形態によれば、複数の光拡散ファイバー１２を支持体に巻設し、各々の光拡散光ファイバーを光源又は複数の光源に光学的に接続することができる。複数の光拡散光ファイバー１２をリボン、リボンスタック、及び円バンドルの少なくとも１つにバンドル化することができる。結合効率を向上させる光源の形状にファイバー・バンドル又はリボン（即ち、多数のファイバーの集合体）を構成することができる。標準的なバンドル／リボン構造は、例えば、光拡散ファイバー１２を２〜３６又は最大で数百まで含むことができる。多数のファイバーを集めたケーブル構成がよく知られており、リボン、多数のリボンの集合体、又は管にまとめられたファイバーを含むことができる。このようなファイバーは１つ以上の光拡散ファイバー１２を含むことができる。

単一ファイバー
光拡散ファイバーに接続された明るい連続した光源は、看板や表示装置の照明等各種用途に用いることができる。コア径が１２５〜３００μｍの１つのファイバー１２を照明システムに使用する場合、ファイバー１２に光を供給する光源として、マルチモード・レーザー・ダイオードを使用することができる。１方向に光を向ける反射膜を備えた１つのファイバー１２を用いた例示的な照明器具（表示スクリーンの周縁照明器具）を図８Ａに示す。一部の実施の形態によれば、水生環境、例えば、ボート桟橋、釣り糸又はルアー、及び小さく柔軟性に富む光拡散ファイバー１２及び水中に沈めても安全であることが要求される関連用途に光拡散ファイバー１２を用いた１つ又は多数のファイバー照明を用いることができる。また、光拡散ファイバー１２は出口照明、通路照明、ルームディテクター用赤外線放射、あるいは衣類の糸、特に着用者が目立つようにする保護／反射衣類の糸としても有用である。装飾照明における光拡散ファイバー１２の使用例は多岐にわたり、その幾つかの例には、電化製品の照明及びエッジ効果、自動車／航空機照明、家庭及び家具照明が挙げられる。

図８Ｂは生体増殖システム９８及び生体増殖システムに使用される照明システム１００の例示的実施の形態を示す図であって、生体室１７０が内部１７２を有するフラスコの形態を成している。光源１５０及び光学接続系１６０が、光源からの光を光伝導ファイバーの入射端部に接続するよう構成されている。低散乱光伝導ファイバー１２Ａの出射端部が光拡散ファイバー１２（光源ファイバー）の入射端部に接続されている。図８Ｂの実施の形態において、光源ファイバー１２は１つの逆巻きファイバーから成っている。支持体にファイバー１２を巻設して光源ファイバー領域を形成し、その外面から導波光を散乱させることにより、略均一な放射エネルギーを放出する長尺光源を構成することができる。光源ファイバー領域の湾曲部は、光拡散ファイバー１２の散乱量を増加させるために形成されたものである。少なくとも１つファイバーの逆巻きにより、光源ファイバー領域の長さに沿った放射量の減少が補償され均一性が向上する。各々が光源に接続された多数のファイバー１２を支持体に順序よく巻設して長尺の光源を構成することができる。様々な生体室形状に適合するよう光拡散ファイバー１２を構成し、生体材料１８０の増殖に必要な光を供給することができる。例えば、生体材料１８０は藻（例えば、藻群体又はアオコ）又はバクテリア（例えば、シアノバクテリア）であってよい。例示的実施の形態において、水のような支持媒体１８４に生体材料１８０が浮遊している。

被膜
例示的実施の形態において、ファイバー１２が、図２に関連して説明した被膜４４を備えている。１つの例示的実施の形態において、被膜４４が湿粘着性を向上させるＵＶ硬化アクリレート被膜のような親水性被膜層を備えている。被膜はガラスに隣接した低弾性率一次被膜層（一般に＜３ＭＰａ）及び高弾性率二次被膜層（一般に＞５０ＭＰａ）から成るＵＶ硬化被膜であってよい。高弾性率二次被膜層は一次（低弾性率）被膜層の上部に隣接している。単一層又は多層被膜層として形成された別の被膜層又は付加被膜層を設けることもできる。かかる材料の例として、細胞増殖媒体として機能する親水性被膜４４Ａ（図示せず）や漏出した光を更に散乱する材料を含む被膜が挙げられる。また、このような被膜は、ファイバー１２の保護被膜としても機能する。

被膜４４に用いられる親水性被膜４４の例には表面への細胞の付着及び増殖を向上させるために一般に使用され、カルボン酸基及びアミン基（例えば、アクリル酸又はアクリルアミドを含むもの）を含むものが挙げられる。親水性被膜４４Ａは、生体材料の増殖に必須の栄養素を蓄える機能も果たす。

一部の実施の形態において、放射光を改変する蛍光又は紫外光吸収分子が被膜４４に含まれている。適切なアップ又はダウン・コンバータ分子を被膜に含めることにより入射光源と異なる波長の光を生成することができる。また、インク被膜層を設けて出射光の色又は色相を変えることができる。別の実施による被膜はファイバーから出射された光を更に散乱する分子を含んでいる。更に別の実施の形態において、光反応速度を向上させる光活性触媒を被膜に含めることができる。かかる触媒の例に、光触媒としてのルチル、ＴｉＯ_２がある。

一部の実施の形態によれば、最小外のりサイズ（例えば、直径）が２５０μｍを超えるポリマー、金属、又はガラス被覆（又は被膜）によって、光拡散ファイバー１２を包むことができる。ファイバーが金属被膜を有する場合、所定の領域に選択的に光を照射するための開放領域を設けることができる。また、このような付加的な被膜又は被覆は、前記ファイバーに施される被膜同様、照射光を改変又は反応を触媒する付加的化合物を含むことができる。

前記のように、光拡散ファイバー１２は外面に親水性被膜を有することができる。また、出射光を更に散乱する分子の他に、蛍光種（例えば、紫外光吸収材料）を光ファイバー被膜に含めることができる。一部の実施の形態において、光拡散ファイバー１２に接続された光源が波長２００ｎｍ〜５００ｎｍの光を発生し、ファイバー被膜に含まれる蛍光材料（蛍光種）によって白色、緑色、赤色、又はＮＩＲ（近赤外）光が発生される。

更に、付加被膜層をファイバーの外面に設けることができる。この層は放射光及び被膜材料の相互作用を改変するよう構成することができる。このような被膜の例には、ポリ（２-アクリルアミド−２−メタンスルホン酸）、オルトニトロベンジル基、及びアゾベンゼン領域のような材料をそれぞれ含む被膜が挙げられる。

照明システムの構成例
一部の例示的実施の形態による照明システムは（ｉ）２００ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲の少なくとも１つの波長λを有する光を生成する光源と（ｉｉ）少なくとも１つの光拡散光ファイバー１２とを備えている。ファイバー１２はコア、クラッド、及びコア内部又はコアとクラッドとの境界に複数のナノサイズ構造体３２を有している。光ファイバーは外面及び光源に光学的に接続された少なくとも１つの端部を有している。前記のように、光拡散光ファイバー１２は、空孔のようなナノサイズ構造体を介し、外面を通しコアから導波光を散乱するよう構成され、全体にわたり略均一な放射エネルギーを放出する長さを有する光源ファイバー領域を形成している。この光拡散光ファイバー１２の散乱減衰量は、２００ｎｍ〜２０００ｎｍ（例えば、４００〜７００ｎｍ又は１μｍ〜２μｍ）の波長範囲内の１つ以上の波長に対し５０ｄＢ／ｋｍを超えるものである。ファイバー１２は、ナノサイズ構造体３２を介し、指定領域の外面を通しコアから光を選択的に散乱するよう複数の湾曲部を有することができる。散乱光の照度偏差は長さに沿った最大散乱照度の３０％未満であることが好ましい。一部の実施の形態によれば、散乱減衰量が１００ｄＢ／ｋｍ〜６０００ｄＢ／ｋｍ又はそれ以上である。一部の実施の形態において、２００ｎｍ〜２０００ｎｍの1つ以上の波長に対し、ファイバー１２の散乱減衰量が６０００ｄＢ／ｋｍ〜２００００ｄＢ／ｋｍである。一部の実施の形態によれば、ファイバー１２の長さが０．５ｍ〜１００ｍであり、２００ｎｍ〜２０００ｎｍの1つ以上の波長に対し、散乱減衰が３００ｄＢ／ｋｍ〜５０００ｄＢ／ｋｍ及び／又は３ｄＢ超／ファイバー長である。別の実施の形態において、ファイバーの長さが０．１ｍ〜０．５ｍであり、２００ｎｍ〜２０００ｎｍの1つ以上の波長に対し、散乱減衰が５０００ｄＢ／ｋｍ〜２０,０００ｄＢ／ｋｍ。ナノサイズ構造体３２は、直径１０ｎｍ、好ましくは５０ｎｍ、より好ましくは１００ｎｍを超える、ガス入り空孔（例えば、ＳＯ_２入り空孔）であることが好ましい。ファイバーのクラッドが少なくとも厚さ２０μｍのガラス又はポリマーから成ることが好ましい。前記コアとクラッドとの組合せにより０．２以上のＮＡが得られる。前記のように、ファイバーの線引き工程において、ファイバーの張力を制御することにより、ファイバーの長さに沿った照度の均一性（最大強度の略３０％、好ましくは略２０％、更に好ましくは１０％以内）が得られる。前記のように、光源に接続されたファイバーの端部と反対側の端部に反射体を接続することにより照度の均一性を更に向上させることができる。

前記のように、一部の実施の形態によれば、光散乱ファイバー１２は、少なくとも一部が光を散乱するナノ構造体によって占められたコア、コアを囲むクラッド、及びクラッドを囲む少なくとも１つの被膜を備えている。例えば、コア及びクラッドは一次及び二次被膜層及び／又はインク層で囲むことができる。一部の実施の形態において、インク層が光を更に吸収すると共に、ファイバーから散乱される光を改変する（例えば、拡散光に色が付加される）色素を含んでいる。別の実施の形態において、１つ以上の被膜層が、被膜から放射される光（ファイバーによる拡散光）が別の波長となるよう、ファイバーのコアを伝搬する光の波長を変換する分子を含んでいる。一部の実施の形態において、インク層及び／又は被膜層が、コアから散乱される光を別の波長の光に変換する燐光体を含むことができる。一部の実施の形態において、燐光体及び／又は色素が一次被膜に分散されている。一部の実施の形態において、色素が二次被膜に分散され、別の実施の形態において、色素が一次及び二次被膜に分散されている。一部の実施の形態において、燐光体及び／又は色素がポリマーから成るクラッドに分散されている。

一部の実施の形態によれば、ファイバー１２が一次被膜、一次被膜を囲む光学二次被膜、及び／又は（例えば、直接クラッド上部又は被膜の１つの上部に）インク層を有している。一次及び／又は二次被膜は色素、燐光体、蛍光材料、ＵＶ吸収材料、親水性材料、光改変材料及びこれらの組合せのうちの少なくとも１つを有することができる。

複数の光拡散ファイバー１２をリボン、リボンスタック、及び円バンドルの少なくとも１つにバンドル化することができる。結合効率を向上させる光源の形状にファイバー・バンドル又はリボン（即ち、多数のファイバーの集合体）を構成することができる。標準的なバンドル／リボン構造は、例えば、光拡散ファイバー１２を２〜３６又は積み重ねることにより最大で数百まで含むことができる。

前記のように、光ファイバーは外面に親水性被膜を有することができる。あるいは、親水性被膜をファイバーリボンの外面に設けることができる。また、光拡散ファイバー１２と光源とがより良く結合するよう、リボンを光源の形状とすることができる。リボン構造の利点は、波形、螺旋、渦巻き等の湾曲構造を成し所望の領域に光を散乱することができるため、個々のファイバーを巻設する必要がないことである。更に、多数のファイバーから成るリボンを使用すれば大型のリボンスタックを形成することができる。かかるリボンスタックにより高濃度の光を得ることができると共に、赤色レーザー、太陽光、発光ダイオード、点光源誘導など様々な光源利用の可能性が開ける。例えば、1つの実施の形態によれば、複数の光拡散光ファイバー１２をリボン、リボンスタック、及び円バンドルの少なくとも１つにバンドル化し、1つの光源又は複数の光源に光学的に接続することができる。更に、損失を最小限に抑えて光拡散ファイバー１２に光を伝送することができる伝送ファイバーによって、光拡散ファイバー１２のバンドル又はリボンを光源に接続することができる。後者の構成は光が供給される領域から離間した光源から集光される遠隔照明用途に非常に有用であると期待されている。

前記の説明は本発明の例示に過ぎず、クレームに規定された本発明の本質及び特徴を理解するための概要説明を意図したものである。添付図面は本発明の理解を深めるためのものであり、本明細書に組み込まれその一部を構成するものである。図面は本発明の様々な特徴及び実施の形態を示すものであり、本明細書と併せ本発明の原理及び作用を説明するものである。添付クレームに規定された本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、本明細書に記載の本発明の好ましい実施の形態に対し様々な改良が可能であることは当業者にとって明らかである。

１２ 光拡散光ファイバー
２０ コア領域
２２ 密な中心領域（第１のコア領域）
２６ ナノ構造化リング領域（内側環状コア領域）
２８ 密な外側領域（第３のコア領域）
３１ ガラス
３２ 空孔
４０ クラッド領域
４４ 光学被膜
４８ 側面
９８ 生体増殖システム
１００ 照明システム
１５０ 光源
１６０ 光学接続系
１７０ 生体室
１８０ 生体材料
１８４ 支持媒体

Claims (13)

1. 外面を有する光拡散光ファイバーであって、
   （ｉ）ガラス・コアと、
   （ｉｉ）複数のナノサイズ構造体を有する領域と、
   （ｉｉｉ）前記コアを囲み、該コアよりも低い屈折率を有する低屈折率クラッドと、
   を備え、
   前記ナノサイズ構造体は、前記ガラス・コア内、または、該ガラス・コアと前記低屈折率クラッドの間の境界に位置して、前記ナノサイズ構造体は１０ｎｍ〜１×１０⁻⁶ｍの断面サイズと１ｍｍ〜５０ｍの長さを有し、該コアから前記外面を通して導波光を散乱するように選択されたサイズ及び組成を有することを特徴とする光拡散光ファイバー。
2. 外面を有する光拡散光ファイバーであって、
   （ｉ）ガラス・コアと、
   （ｉｉ）複数のナノサイズ構造体を有する領域と、
   （ｉｉｉ）前記コアおよび前記複数のナノサイズ構造体を囲むクラッドと、
   を備え、
   前記光拡散光ファイバーにより提供される散乱減衰が、該光拡散光ファイバー内における光の伝搬方向に対して３０°以上である散乱角度においてピーク強度を有するように、前記複数のナノサイズ構造体が、前記コアから前記外面を通して導波光を散乱するように選択されたサイズ及び組成を有して、配置され、
   前記ナノサイズ構造体は、１０ｎｍ〜１×１０⁻⁶ｍの断面サイズと１ｍｍ〜５０ｍの長さとを有することを特徴とする光拡散光ファイバー。
3. 前記光拡散光ファイバーの一定の長さにわたる散乱減衰が、２００ｎｍ〜２０００ｎｍの少なくとも１つの波長に対して５０ｄＢ／ｋｍを超えるものである、請求項１または２に記載の光拡散光ファイバー。
4. 前記ファイバーが、前記波長に対して１００〜２００００ｄＢ／ｋｍの散乱減衰を有するものである、請求項３に記載の光拡散光ファイバー。
5. （ｉ）０．５ｍ〜１００ｍの長さを有し、前記波長に対する前記ファイバーの散乱減衰が、３００ｄＢ／ｋｍ〜５０００ｄＢ／ｋｍであるか、または
   （ｉｉ）０．５ｍ〜１００ｍの長さＬを有し、前記ファイバーの散乱減衰が、３ｄＢ／Ｌより大きいものである、請求項４に記載の光拡散光ファイバー。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の光拡散光ファイバーを、
   含む照明システム。
7. ２００ｎｍ〜５００ｎｍの波長範囲の光を発生する光源を、
   更に含む、請求項６に記載の照明システム。
8. 請求項１から５のいずれか１項に記載の光拡散光ファイバーと、
   ２００ｎｍより長い照明光波長を有するＵＶである光源と、
   を含む照明システム。
9. 前記光源が、４０５ｎｍまたは４４５ｎｍの波長を有するものである、請求項８に記載の照明システム。
10. 請求項１から５のいずれか１項に記載のファイバーを、
    含むファイバー・バンドル。
11. ２００ｎｍ〜２０００ｎｍの少なくとも１つの波長に対して５０ｄＢ／ｋｍを超える散乱減衰を有し、各々が、ガラスを含むコア、一次クラッド、および、前記コア内、または、該コアと前記一次クラッドの間の境界に位置する複数のナノサイズ構造物を含む光拡散光ファイバーを、
    含み、
    前記ナノサイズ構造物は、前記ファイバーの一定の長さにわたり略均一な放射光の放出として、前記コアから前記外面を通して導波光を散乱するように選択されたサイズ及び組成を有し、
    前記ナノサイズ構造物は、１０ｎｍ〜１×１０⁻⁶ｍの断面サイズと１ｍｍ〜５０ｍの長さとを有するものであることを特徴とするファイバー・バンドル。
12. ２００ｎｍ〜２０００ｎｍの少なくとも１つの波長に対して５０ｄＢ／ｋｍを超える散乱減衰を有し、各々が、ガラスを含むコア、一次クラッド、および、前記コア内、または、該コアと前記一次クラッドの間の境界に位置する複数のナノサイズ構造物を含む光拡散光ファイバーを、
    含み、
    前記ナノサイズ構造物は、前記ファイバーの一定の長さにわたり略均一な放射光の放出として、前記コアから前記外面を通して導波光を散乱するように選択されたサイズ及び組成を有し、
    前記ナノサイズ構造物は、１０ｎｍ〜１×１０ ⁻⁶ ｍの断面サイズと１ｍｍ〜５０ｍの長さとを有し、
    前記光拡散光ファイバーは、リボン、リボンスタック、または円バンドルの少なくとも１つにバンドル化されていることを特徴とする、ファイバー・バンドル。
13. 前記バンドル化された光拡散光ファイバーを、その中にまとめる管を、
    更に含む、請求項１１または１２に記載のファイバー・バンドル。