多芯光纖的製作方法

2023-05-03 16:48:36 1

專利名稱：：多芯光纖的製作方法
技術領域：
：符合本發明的裝置涉及一種多芯光纖，優選地應用於使用光纖的成像方法，諸如共焦螢光成像方法。
背景技術：
：在諸如胃腸病、肺病、或心血管病的眾多醫學領域中，使用內窺鏡來直接觀察組織的表面，或作為治療的輔助裝置。進而，與內窺鏡聯合進行的螢光診斷引起了廣泛的關注。被激發光照射並被激發的組織發出具有特徵光譜的螢光。當組織具有諸如腫瘤或癌的損傷時，該組織發出具有不同於正常特徵光譜的光譜的特定的螢光。螢光診斷是一種利用該特徵來從正常組織中辨別具有損傷的組織的診斷方法。由於該診斷方法不需要從患者身體上釆集組織樣品，患者免除了身體上的負擔。這是該方法的許多優點之一。日本專利申請公開No.H08-224240公開了相關技術。利用多芯光纖的共焦螢光成像方法經常與螢光診斷聯合使用。在該方法中，具有不同波長的多個激發光束通過多芯光纖照射組織，並且接著通過該光纖收集具有來自該組織的激發光的螢光。通過分離激發光中的螢光，發生螢光光譜。由於在多芯光纖中嵌入的芯具有二維排列，在芯上進行的該信息處理產生二維圖像。進而，通過變化的垂直位置和僅從每個焦點過濾信息而往復進行的該處理提供共焦圖像。國際申請的公布的日文翻譯No.2005-532883公開了相關的技術。
發明內容本發明的特定實施例提供了有助於準確螢光診斷的多芯光纖。根據本發明的示範實施例，多芯光纖包括具有石英的包層；以及嵌入該包層的多個芯，每個芯具有的直徑(D)在1.3pm到2.0/mi範圍內，數值孔徑(NA)為0.35到0.45，折射率分布係數(a)為2.0到4.0，每個芯的中心具有的鍺含量為20wty。到30wt%，其中，相鄰的芯的間距為3.0pm或更大。圖1是根據本發明的實施例的多芯光纖的橫截面圖；圖2是示出了芯和環繞著芯的包層周圍的折射率曲線的圖；圖3是示出了用於測量該多芯光纖的屬性的測量設備的示意圖；圖4是多芯光纖的發射光譜，在相應的芯中的鍺含量為Owt%，19wt%，30wt。/。以及33wt%，由圖3所示的測量設備測量；圖5是示出了由鍺引起的發射強度與相應的芯中的鍺含量的依賴關係的圖6是發射光譜測量設備的示意圖7表示向現有的多芯光纖入射波長為488nm的激發光，測定回光的發射光譜的示意圖；以及圖8表示向現有的多芯光纖入射波長為440nm的激發光，測定回光的發射光譜的示意圖。具體實施例方式圖6示意性地示出了關於研究由多芯光纖收集的光的譜線的測量設備100。測量設備100包括發射波長為488nm的雷射作為激發光的光源102，用於將該雷射匯聚成直徑2pm到3;mi的光束的光學透鏡104，被定位以接收該光束的多芯光纖106，設置於多芯光纖106的輸出端的物鏡108，以及與物鏡108光學耦合的CCD110。測量設備100還包括二向色濾光片112，該二向色濾光片112允許來自光源102的雷射透射，並反射從物鏡108反射並按順序透射過多芯光纖106和光學透鏡104的光；以及光譜分析儀114，用來接收由二向色濾光片112反射的光(由物鏡108反射的光)，並對該光進行分析。測量設備IOO還包括XYZ平臺116，用來調整多芯光纖106的位置，以使光學透鏡104和多芯光纖106光學耦合；以及用來降噪的反射濾鏡118。圖7示出了光譜，其中示範實施例在波長515nm附近具有相對尖銳的發射尖峰，並在515nm到750mn範圍內具有寬發射峰，其由光源102發射雷射(單模，22mW)產生，光學鏡頭104收集光線使光入射到多芯光纖106的多個芯中之一，並對由物鏡108反射並返回的光進行分析。圖8示出了針對示範實施例觀察到的光譜，其中激發光的波長為405nm。該光譜具有波長460nm附近的尖峰，以及在600nm到640nm具有寬峰。同樣在示範實施例中，其中激發光的波長為635nm，在光譜中觀察到更長的波長，包括在從激發光的波長開始到大於激發光波長約200nm的範圍內的光分量。具有相對寬的光譜的相關光使螢光診斷的準確性劣化，並很難從螢光中過濾。進而，該光纖自身引起該相關光，否則其不會被觀察到。本發明正是基於這些發現。下面將參考附圖描述本發明的示範實施例。同時，在這些附圖中的多芯光纖的圖示僅僅是示意性質的圖，因此圖中所示的元件不必按比例繪製。可允許實際產品中的元件的形狀、尺寸、比例和排列與圖示中的不同。例如，被繪製為圓形的任何結構可被修改為橢圓形，並且被繪製成蜂窩狀排列的任何結構可被修改成正交陣列。參考圖1所示的橫截面圖，根據本發明實施例的多芯光纖10包括:圖像圓形區域12，通過該圖形圓形區域12來傳輸圖像；包裹著圖像圓形區域12的外圍的石英-玻璃護套(jacket)14;以及進一步包裹石英-玻璃護套14的外圍的覆蓋層16。圖像圓形區域12還包括包層2和嵌入包層2的多個芯1，該包層2包括石英。每個芯l被配置為傳輸光來提供圖像的像素的信息。包層2為這些芯1提供共同基(commonbase)。芯1之間的空間由包層2完全填充。圖像圓形區域12的直徑為，例如，約500/mi，其中嵌入的芯1的數目在l萬到3萬的範圍內。由此，聚焦於多芯光纖10的一端的圖像被在空間上分割成芯1的數目，並且分割後的圖像分別通過芯1傳輸，使得該圖像在該多芯光纖IO的另一端重現。圖2示出了兩個芯1和包層2周圍的折射率曲線。芯l包括摻鍺(二氧化鍺，Ge02)的石英，可增加折射率。摻雜劑的濃度向著芯1的中心位置增加，因此該折射率曲線是上凸的，並且在芯1的中心位置具有峰值。該曲線的折射率分布係數o;為，例如，2.0到4.0。該折射率分布係數a滿足以下公式formulaseeoriginaldocumentpage6其中"^")表示距芯的中心r處的折射率，"i表示芯的中心處的折射率，"表示芯的半徑。進而，芯1的每一個具有1.3/xm到2.0/mi的直徑。相鄰的芯1的間距D為4.0/mi或更小。數值孔徑(NA)是從0.35到0.45。包層2包括摻氟的石英，可降低折射率。包層2中的折射率保持基本恆定。多芯光纖按照以下工藝生產。首先，該工藝包括通過汽相軸向沉積法(VAD)形成石英芯預製微粒(quartzcorepreformsoot)，其中摻鍺，使之具有在上述範圍內的折射率分布係數a。接著，工藝包括在燒結爐中加熱該預製微粒，以使該預製微粒透明玻璃化(transparent-vitrified),由此得到用於芯的玻璃棒。隨後，工藝包括通過等離子體外部汽相沉積方法或外部汽相沉積方法(OVD)在玻璃棒的外圍形成摻氟玻璃層，這將是多芯光纖的包層，由此形成光纖基本主體。OVD方法包括在氫氧焰中形成微粒顆粒，並通過燒結使微粒顆粒玻璃化。另外，該玻璃棒也可通過PCVD方法或MCVD方法產生的摻氟管裝上護套，而不是通過等離子體外部汽相沉積方法等得到摻氟玻璃層。然後，工藝包括將光纖基本主體拉伸成直徑數百/mi的光纖纜繩。該工藝還包括以預定長度的間隔將光纖纜繩切成大約1萬個光纖纜繩。這些光纖纜繩被一起插入石英管，並拉伸，由此生產直徑大約500/xm的多芯光纖。最後，該工藝包括在最外層上形成大約50/xm厚的塗敷層。由此獲得多芯光纖的最終產品。下面將描述發明人旨在研究相關的光的起源而進行的一些實驗。圖3示意性地示出了這些實驗中使用的測量設備的示範實施例。測量設備200包括發出波長為488nm的雷射作為激發光的光源102，用於將該雷射匯聚為直徑2;rni到3pim的光束的光學透鏡104，被定位以接收該光束的多芯光纖106,用來調整多芯光纖106位置的XYZ平臺116，以及光學耦合於光纖106的輸出端的光譜分析儀114(AnritsuCorporation生產的AQ-6315A)。由NichiaCorporation生產的單模雷射設備(波長405mn，輸出功率10mW)應用於光源102。這些實驗使用了多個多芯光纖。這些多芯光纖區別在於各自的芯1的鍺含量不同。這些多芯光纖在芯的中心具有的鍺含量分別為10wt°/。，19wt%，22wt%，26wt%，30wt%，33wt%。還為這些實驗提供了另一多芯光纖，該多芯光纖利用玻璃棒生產，用於沒有摻鍺的芯(可替換地，在後文稱為具有鍺含量為0wty。的多芯光纖)。圖4示出了由測量設備200(圖3)測出的發射光譜，分別與鍺含量為Owt%，19wt%，30wt。/。和33wt。/o的多芯光纖對應。如圖所示，該發射光譜具有波長範圍大約500nm到卯Onm或更長的寬峰，並且示出最大值都在650nm處。在這些寬峰中發射強度隨著芯中鍺含量的降低而降低。進而，在具有鍺含量為Owt^的多芯光纖的情況下，未完成的發射基本上逐漸消失。結果表明在芯中摻雜的鍺與具有寬峰的發射有關。圖5示出的圖中，縱軸是在700mn測得的發射強度，橫軸是芯的中心的鍺含量(wt%)，該圖與發明人對於寬帶發射的強度如何隨著鍺含量的變化而變化的研究有關。其中，在芯的中心的鍺含量為Owt。/。的情況下，寬帶發射的強度位於探測極限的附近或低於該極限，隨著鍺含量的增加，寬帶發射的強度增加。進而，實驗給出的結果是隨著多芯光纖延長，發射強度增大；隨著激發光的波長增加(例如，488nm或635nm)，發射強度減小。實驗產生的結果是在純矽芯和摻氟的矽芯的多芯光纖情況下，與寬峰對應的光不能被辨認出。根據上述結果，可以理解的是，與寬峰對應的發射是在芯中被激發光激發的鍺發射的發光。進而，發明人研究了在多大程度上該發射強度不造成實際問題，而且結果顯示，-65(18111或更低的發射強度不造成實際問題。更具體地，根據圖5，可以理解的是，在芯的中心，鍺含量為30%或更少不會造成實際問題。接著，下面將描述多芯光纖的具有實際重要性的解析度和對比度屬性。一個影響解析度的參數是芯之間的間距。如果相鄰的芯的間距更短，物理解析度增加，然而，過窄的間距導致產生串擾。如果串擾增加，將發生光的擴散，因此將出現對比度下降或著色圖像的問題。儘管著色在用於共焦螢光成像方法中的多芯光纖中可能不會引起嚴重的問題，但考慮到折射率曲線，該多芯光纖應設計成在解析度和對比度之間實現適當的平衡。根據發明人的研究，具有以下組成部分的多芯光纖的示範實施例是用於共焦螢光成像法的。更具體地，其是多芯光纖(此後稱為多芯光纖A)，該多芯光纖具有石英包層，以及嵌入該包層內的多個芯，其芯直徑從1.3/mi到2.0/mi;數值孔徑從0.35到0.45;折射率分布係數a從2.0至lj4.0;每個芯的中心具有的鍺含量為20wt。/o到30wt%，其中相鄰的芯的間距為3.0/mi或更多。由於多芯光纖A在芯的中心具有的鍺含量為30wt。/。或更低，由被波長為450nm到635nm的激發光(30mW)激發的鍺造成的波長範圍從500nm到900nm的寬帶發射可被抑制。因此，來自觀察點的螢光可在觀察時利用螢光成像法以較高的S/N比得到。另一方面，在芯的中心具有的鍺含量降到20wt。/。以下時，由於材料的限制，很難將所需的NA保持在0.35以上。然而，由於多芯光纖A具有的鍺含量範圍為20wt。/。到30wt%，所需的NA可以得到保證。進而，在折射率分布係數a小於2.0的情況下，由於實際上NA變得相對較小，該數值孔徑數不足，並且不能以足夠的強度觀察來自觀察點的螢光。另一方面，折射率分布係數a大於4.0表示鍺含量大量增加。由此，對應於鍺造成的寬峰的發射增加，並且因此造成S/N比的下降。由於上述原因，折射率分布係數a優選為2.0到4.0。對於芯的直徑，如果該直徑小於1.3/mi，生產多芯光纖是有可能的。然而，如此小的芯直徑導致基模(LP01)的電場加寬，因此將光限制於芯內的效果被減弱。該結果可能導致彎曲損耗增加的狀態，因此它將變得不可用。可替換地，串擾可能增加，結果，解析度變差。然而，如果芯的直徑超過2.0pm，由於鍺含量的大量增加，將造成在500nm到900nm範圍的寬帶發射的增加。由於上述原因，芯的直徑優選為從1.3/mi到2.0/mi。需要NA為0.35或更大，以從觀察點獲取足夠量的螢光。如果實現超過0.45的NA，則需要在包層中增加氟或硼。這導致芯中的鍺的濃度增加。因此，NA優選是0.45或更小。進而，在多芯光纖A的示範實施例中，芯中包含的氯含量優選是0.05wt。/。或更少(後文中稱此類光纖為多芯光纖B)。原因是，根據發明人的研究，當氯含量更高時，對應於寬峰的發射趨向於更高。為了將芯中的氯含量抑制到0.05wt。/。以下，例如在生產光纖基本主體時，要求不能使用諸如Sia4的含氯的原材料，而使用有機矽烷系的化合物，諸如4一甲氧基矽烷(Si(QeH。0氣體。進而，需要在脫水和燒結時避免使用氯系氣體，而使用其它滷素系氣體。具體地，在芯中氯含量為0.3wt。/。或更高的情況下，造成的問題是在拉伸基本主體以生產光纖的過程中產生大量的氣泡。因此工藝的產量下降。進而，在多芯光纖A的示範實施例中，如果相鄰的兩個芯的間距(中心(中心軸)之間的距離)範圍為3.0jLrni到4.0/mi，且芯直徑與芯間距的比例為1.7到2.6(此類光纖在後文被稱為多芯光纖C)，將會是很有用的。因此，觀察點能夠以細胞級(約10Mm)的解析度進行觀察。如果芯的間距超過4.0/mi，則不能保持細胞級的解析度。對於要求此類等級的觀察，它可能不適用。進而，在芯間距小於3.0/mi的情況下，由於NA是從0.35到0.45，彎曲損耗和串擾增加，並且導致不能獲得所需要的信息(光譜和強度的形式)的狀況。如果芯直徑和芯間距的比例小於1.7，多芯光纖中包層的厚度變得不足，將光限制在芯中的限制變得不足，並且因此，彎曲損耗和串擾增加。進而，如果芯直徑和芯間距的比例超過2.6，基模電場(模場直徑)被加寬，彎曲損耗增加，並且鄰近的芯的串擾增加。這些將導致不可能增加像素密度。進而，在上文提到的多芯光纖A、B和C的示範實施例中，優選地，波長為635nm的光透過對應的芯以單模傳輸。由此，波長為635nm或更長的螢光可在單模傳輸。由於在高階模中串擾的增加，通過實現單模，由於高階模產生的串擾可被排除。更準確的信息可從透過由相應的芯傳輸的螢光中提取。接著，下面將給出例子來解釋根據本發明的示範實施例的多芯光纖的屬性。表1列出了多芯光纖的結構參數及其評估結果。在生產表1中的示例性號碼8和22的多芯光纖的過程中，玻璃層中未加入氟，該玻璃層將是多芯光纖的包層，因此這些多芯光纖具有純矽表1結構參數和評估結果tableseeoriginaldocumentpage12而且，將要測量的多芯光纖的總長度為2m。由於考慮到將多芯光纖用在螢光成像方法中時至少需要2m，所以由此確定。如果總長度增加，芯中的鍺含量增加。由於隨著多芯光纖的總長度增加，上述的鍺引起的發射趨向於更加明顯，在實踐中，在此長度下得到如下所述的屬性非常重要。表1所示的發射其強度是通過圖3所示的測量設備200測量的光強度。更具體地，通過如下步驟，在波長700nni下測量發射強度將來自利用波長405nm的單模雷射元件(NichiaCorporation生產)的光源102的雷射(10mW)匯聚成為直徑幾/mi的光束，將光束入射進多芯光纖，隨後利用光譜分析儀114在多芯光纖的輸出端測量。標誌"好"表示強度為-65dBm或更小的情況，而標誌"壞"表示強度大於-65dBm的情況。進而，對於表1中所示的螢光信號，光譜形狀和強度由光譜分析儀114處理。實質上，計算S/N比，接著該比值位於不造成實際問題的水平的情況被標識為"好"，而該比值位於造成實際問題的水平的其他情況被標識為"壞"。進而，對於最終評估，發射強度和螢光信號兩者均為"好"的情況被標識為"好"，而任何任一項為"壞"的均標識為"壞"。表l示出具有任意以下芯直徑結構參數的多芯光纖的示範實施例不能在發射強度和螢光信號兩項中都被評估為"好"，該結構參數為芯中心的鍺含量、數值孔徑(NA)、芯的折射率分布係數、相鄰的芯的間距均超出多芯光纖A的示範實施例的結構參數範圍。另一方面，任意對應於上述多芯光纖A的多芯光纖都在最終評估中被評估為"好"。由此可知，根據本示範實施例的多芯光纖的優點將可以被理解。如上所述，由於根據本示範實施例的多芯光纖構造為落入芯直徑、芯的中心的鍺含量、芯的折射率分布係數、以及其它結構參數的範圍內，由芯中鍺引發的從500nm到卯0nm波長範圍的發射被抑制，因此該光纖能夠以高S/N比觀察來自組織的螢光。進而，通過限制數值孔徑(NA)、相鄰的芯的間距和芯間距與芯直徑的比值，減小了彎曲損耗和串擾，並且由此實現細胞級的解析度。進而，通過實現單模，串擾被進一步減小，並且通過限制芯中氯的濃度，從500nm到900nm波長範圍的發射被進一步抑制。更具體地，根據本發明，提供了能夠提高螢光診斷的準確度的多芯光纖。儘管本發明通過其特定示範實施例進行了描述，但本發明並不限於上述的示範實施例。根據上述的教導，本領域技術人員將想到上述的實施例的改進和變化。權利要求1.一種多芯光纖，包括包括石英的包層；以及嵌入所述包層的多個芯，每個芯具有的直徑(D)在1.3μm到2.0μm範圍內，數值孔徑(NA)為0.35到0.45，折射率分布係數(α)為2.0到4.0，每個芯的中心具有的鍺含量為20wt％到30wt％，其中，相鄰的芯的間距(d)為3.0μm或更大。2.如權利要求l的多芯光纖，其中，所述每個芯具有的氯含量為0.05wt。/。或更少。3.如權利要求l的多芯光纖，其中，所述包層包括氟。4.如權利要求1的多芯光纖，其中，所述間距(d)與所述直徑(D)之比為1.7至lj2.6。5.如權利要求1的多芯光纖，其中，所述芯以單模傳輸波長為635nm的光。全文摘要公開一種多芯光纖裝置。該多芯光纖裝置包括具有石英的包層，以及嵌入該包層內的多個芯。每個芯具有的直徑(D)在1.3μm到2.0μm範圍內，數值孔徑(NA)為0.35到0.45，折射率分布係數(α)為2.0到4.0。每個芯的中心具有的鍺含量為20wt％到30wt％。相鄰的芯的間距為3.0μm或更大。文檔編號G02B6/036GK101178460SQ20071016572公開日2008年5月14日申請日期2007年11月6日優先權日2006年11月6日發明者妻沼孝司,工藤學,愛川和彥申請人:株式會社藤倉