３．光ファイバセンサー

３．１　光ファイバ

光ファイバが登場しておよそ半世紀が過ぎた。光ファイバは図3.1に示すようにコアとクラッドと被覆から構成される。ほとんどの光ファイバはコアの屈折率がクラッドより大きく光はコアとクラッドの界面で全反射を繰り返して伝搬する。コアの大きさとコアとクラッドの屈折率差で伝搬するモード数が決まる。光ファイバの構造上の分類を図3.2に示す。光ファイバはモード数、屈折率分布、材質、機能によって分類できる。

光は比較的波長の短い電磁波である。図3.3に電磁波の周波数（波長）と伝送できる材質を示す。現在までに紫外からテラヘルツまでの光ファイバが製品化されている。特殊な機能の光ファイバとしてパワー伝送用ファイバがある。熱によるダメージ閾値はコアが純水石英の場合１ＧＷ／ｃｍ２である。コア直径が５００μｍ、ＮＡ＝０．２２の場合に１．９６ＭＷまで伝送可能である。パワー伝送用ファイバは主に医療用に使われるが近年通信用の光ファイバで１０Ｗ程度のパワー伝送ができ、カメラを駆動できたという報告がある。
ＭＥＭＳなど低消費電力のセンサーの駆動は光ファイバによる電力伝送で可能となっている。

３．２　光ファイバセンサー

光には強さ、周波数（波長）、位相、偏波面の４つの属性がある。光ファイバセンサーの概要を図3.4に示す。光ファイバセンサーは温度や歪などの物理量が変化した場合に上に述べた光ファイバを伝搬する光の属性の変化を種々の効果を利用して計測する。この場合光ファイバ自体がセンサーの場合はintrinsicと呼ばれる。物理量などの変化を検出する部分が光ファイバの外部にあり、光ファイバは単に信号伝送に用いられる場合はextrinsicと呼ばれる。

さて光ファイバセンシング技術の発展は光ファイバ通信の開発経緯と平行するが本格的にＲ＆Ｄ成果が国際的に共有されるようになったのは１９８３年にロンドンで開催された第1回の光ファイバセンサー国際会議（ＯＦＳ－１）以降である。その後ＯＦＳは１８か月ごとに各国持ち回りで開催され、昨年４月に韓国済州島で第２５回が開催された。本年は９月にスイスで第２６回の開催が予定されている。このように光ファイバセンシングに関してはこれまで様々な種類の物理量のセンシングが検討されて来た。また啓蒙的な論文や書籍も多数存在する。参考になる文献を２つ上げると、ひとつはＷｉｌｅｙが２００２年に発刊した “Handbook of Optical Fibre Sensing Technology”, Jose Miguel Lopez-Higuera (editor) , もう一つは光防災センシング振興協会が２０１３年に発刊した「光ファイバセンサ入門」である。特に前者は８２８ページの書籍で光ファイバが登場してから約２５年間に開発された光ファイバセンサーが網羅されている。筆者も第２８章で”Fiber Optic Gyroscope for Industrial Applications” を執筆している。

さて光ファイバセンサーには本質的に軽量、小型、多重化が可能、電磁誘導を受けない、安全防爆性、センサー部に電源を必要としないなどの多くの特徴がある。特に石英系光ファイバには広帯域・低損失性があるので分布センサーや準分布センサーで広範囲な環境のモニターに適用できる。分布センサーは光ファイバ内のレーリー散乱やラマン散乱、ブリルアン散乱などの非線形散乱やファイバブラッググレーティングなどの後方光を利用する。表3.1に光ファイバ分布型計測方法の比較を示す。

はじめにＢＯＴＤＲによる光ファイバの長手方向に分布した歪のセンシングについて説明する。本センサーは図3.4の分類によれば光ファイバ自体の非線形性を利用するのでintrinsicなセンサーであり光ファイバの非線形現象を利用して後方散乱光の信号光に対する周波数シフト（ストークス光）を計測するものである。一般にブリルアン散乱光の強度は微弱なので歪の位置精度を向上させるために解析時間が数分程度かかる。しかし近年東工大の水野洋輔助教と中村健太郎教授らがブリルアン光相関領域反射計（BOCDR）という 入射光に巧みな周波数変調を施すことで、特定の箇所で生じたブリルアン散乱信号のみを選択的に抽出し、分布測定を実現する手法で計測時間を３桁以上改善したという報告がある。また東工大の中村研究室では光ファイバとしてグレーディッド（ＧＩ）型屈折率分布を有するＰＯＦ（プラスティックファイバ）を用いて５０～１００％の伸び歪をＢＯＴＤＲで測定する研究がおこなわれている。

次にＲＯＴＤＲによる分布温度センシングについて説明する。図3.5に測定系を示す。本センサーも光ファイバ自体の非線形性を利用するのでintrinsicセンサーである。このセンサーの原理はラマン散乱のストークス光とアンチストークス光の強度の比が絶対温度の関数となるというものである。通常は温度の計測精度が±１～２度である。また位置情報は１ｍおきである。日立金属（旧日立電線）の温度レーダＦＴＲはこの原理による。光ファイバは石英系のマルチモードＧＩファイバやＳＭファイバが使われている。次に光ファイバとして図3.3に示したカルコゲナイド系Ａｓ２Ｓ３ファイバを使ったＲＯＴＤＲの例を紹介する。出典はオーストラリアのシドニー大学とDefence Science and Technologyのグループによる論文”Chalcogenide fiber-based distributed temperature sensor with sub-centimeter spatial resolution and enhanced accuracy” Optics Express、Vol. 22,Issue 2,pp. 1560-1568(2014)である。本論文によるとカルコゲナイドファイバの高ラマン非線形係数により、空間分解能は数ｃｍで温度制度は計測時間２分、5秒での温度制度はそれぞれ±０．６５度Ｃ，０．２度Ｃであった。同ファイバの伝送損失は石英系に比べてかなり大きいので計測レンジは数ｍであるがエンジン内部の微細な温度分布のセンシングに適している。

本章の最後に最新の光通信の国際会議における光ファイバセンシングの動向を紹介する。ＯＦＣ２０１８では”Optical Fiber　Sensors”というカテゴリーで6件、ＥＣＯＣ２０１７では”Fibre Characterisation and Sensing”というカテゴリーで２件、ＥＣＯＣ２０１６ではポスターセッションで１件の合計９件の発表があった。
表3.2に９件の発表の要点を示す。３つの国際会議の発表を見ると光ファイバの広帯域低損失性を活用した分布型センシングが多くみられる。またＳＭＤ用に開発されたマルチコアファイバやＦｅｗモードファイバなどの新規な光ファイバの計測への適用が検討されている。ＯＦＣ２０１８のＷ１Ｋ．４は蜘蛛の糸（たんぱく質）をコアとしたいわゆるＵｎｃｌａｄ（空気コア）ファイバのセンサーへの適用の研究であるが、スイスのローザンヌ工科大、ベルギーのＧｈｅｎｔ大、英国オックスフォード大とカナダのＣＣＴＴ－Ｏｐｔｅｃｈの連名であり精力的な研究がおこなわれている。蜘蛛の糸は可視域から１４００ｎｍまで伝送損失が数ｄＢ／ｋｍで高い複屈折率（～１０－３）を有していることがわかった。口から２０ｃｍ離れたところの息による湿度変化が計測できている。