| Project/Area Number |
22K04140
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 21030:Measurement engineering-related
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| Research Institution | Shimane University |
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Principal Investigator |
増田 浩次 島根大学, 学術研究院理工学系, 教授 (60583127)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
北村 心 島根大学, 学術研究院理工学系, 助教 (60549179)
長瀬 亮 千葉工業大学, 工学部, 教授 (40570685)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
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| Keywords | 光ファイバセンシング / 自然放出光 / 非線形 / 増幅自然放出光 / 帰還回路 |
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| Outline of Research at the Start |
光ファイバセンシングにおける温度などの測定パラメータの検出に関し、検出感度の顕著な向上を可能とする増幅自然放出光帰還回路（ASEFC）を有する高性能光ファイバセンシング方式（ASEFC方式）を提案する。ASEFCは、励起された増幅媒質と、その増幅媒質から出射する増幅自然放出光（ASE）を増幅媒質に帰還する経路を有し、レーザ発振閾値近傍で動作する。具体的には、自作のASEFCを用いた実験、およびモデリングおよびシミュレーションによる理論検討を実施し、ASEFC方式の特長および性能の明確化、また設計技術の確立とシステム最適化を行う。
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| Outline of Annual Research Achievements |
R4年度に引き続き、我々が提案している増幅自然放出光（ASE）を用いた「非線形回路方式」等について、実験および理論検討を実施した。それらの検討結果は、ジャーナル論文1編、査読付きの国際会議予稿2編、研究会技術報告3編、国内学会発表（電子情報通信学会およびIEEE広島支部HISS（学生シンポジウム））5編により具体的に報告している。
その「非線形回路方式」は、「増幅自然放出光帰還回路（ASEFC）」、および、R4年度から検討・報告している「増幅自然出光回路（ASEC）」である。ただし、今回報告するR5年度の検討において、「増幅自然出光回路（ASEC）」はその特徴から、「導波自然放出光回路（GSEC）」と呼ぶべきであるとして報告している。その導波自然放出光回路（GSEC）の優れた特性が明らかになりつつあることから、R5年度は、主に、その導波自然放出光回路の実験および理論検討を行った。その実験検討では、エルビウム添加ファイバ（EDF）ゲインブロック（GB）の2段構成を提案し、光パワー分解能（OPR）の向上指数（IF）として、22.8を達成した。一方、1段構成の場合では、IFの最大値は11.9であった。一方、理論検討においては、導波自然放出光回路のシミュレータを構築した。EDF内の伝搬光に対する連立微分方程式である伝搬方程式を数値的に解くシミュレータである。実験結果との比較において、そのシミュレータの有効性を確認した。そのシミュレータを用いたシミュレーションにおいて、EDFのパラメータである1530nm近傍のピーク吸収量（dB単位）、モードフィールド径依存性、光フィルタの透過帯域幅依存性を明らかにした。導波自然放出光回路の最適構成に関するシミュレーションにより、IFの最大値として約30以上の値が得られる可能性があることを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
提案方式である「非線形回路方式」について、実験および理論検討を実施した。それらの検討結果は、ジャーナル論文1編、査読付きの国際会議予稿2編、研究会技術報告3編、国内学会発表（電子情報通信学会およびIEEE広島支部HISS（学生シンポジウム））5編により具体的に報告している。
その「非線形回路方式」は、「増幅自然放出光帰還回路（ASEFC）」および「導波自然放出光回路（GSEC）」である。その導波自然放出光回路（GSEC）の優れた特性が明らかになりつつあることから、R5年度は、主に、その導波自然放出光回路の実験および理論検討を行った。その実験検討では、エルビウム添加ファイバ（EDF）ゲインブロック（GB）の2段構成を提案し、光パワー分解能（OPR）の向上指数（IF）として、22.8を達成した。一方、理論検討においては、導波自然放出光回路のシミュレータを構築した。EDF内の伝搬光に対する連立微分方程式である伝搬方程式を数値的に解くシミュレータである。実験結果との比較において、そのシミュレータの有効性を確認した。そのシミュレータを用いたシミュレーションにおいて、EDFのパラメータである1530nm近傍のピーク吸収量（dB単位）、モードフィールド径依存性、光フィルタの透過帯域幅依存性を明らかにした。導波自然放出光回路の最適構成に関するシミュレーションにより、IFの最大値として約30以上の値が得られる可能性があることを明らかにした。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和５年度の検討を踏まえて、以下の検討を実施する。まず、当初の検討内容の概要および目標を再掲すると、以下の通りである。光ファイバセンシングにおける温度などの測定パラメータの検出に関し、検出感度の顕著な向上を可能とする増幅自然放出光帰還回路（ASEFC）を有する高性能光ファイバセンシング方式（ASEFC方式）を提案する。また、波長多重などの光多重技術を用いた多点センシングシステムを検討する。ASEFCは、励起された増幅媒質と、その増幅媒質から出射する増幅自然放出光（ASE）を増幅媒質に帰還する経路を有し、レーザ発振閾値近傍で動作する。本提案のASEFC方式は、ASEFCの前段または内部にセンサヘッドを設置する構成を有し、ファイバレーザセンシングなどの先行報告方式に比べ、ASEFCの顕著な非線形応答特性により、約10倍～100倍の検出感度向上が予想される。具体的には、自作のASEFCを用いた実験、およびモデリングおよびシミュレーションによる理論検討を実施し、ASEFC方式の特長および性能の明確化、また設計技術の確立とシステム最適化を行う。
上記の実験検討および理論検討について、順調に進んでいるが、新たな知見も得られた。すなわち、前記の導波自然放出光方式（GSEC方式）において、顕著な非線形応答特性がみられることを基本特性確認実験および理論・シミュレーションにより明らかにした。令和６年度以降の検討としては、応用技術検討を踏まえた具体的な検討および詳細検討である。応用技術としては、光ファイバセンシングにおける温度センシング、振動センシングなどを検討する。また、ASEFC方式とGSEC方式の比較を行い、適用領域の明確化等を行う。その他の申請書に記載した検討事項についても、引き続き検討を進めていく。
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