2014 Fiscal Year Annual Research Report
ポリマー光ファイバのテーパー加工によるブリルアン散乱の増強とセンシング応用
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25709032
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
水野 洋輔 東京工業大学, 精密工学研究所, 助教 (30630818)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 光ファイバセンサ / ポリマー光ファイバ / プラスチック光ファイバ / ブリルアン散乱 / 歪・温度分布センサ / 非線形光学 / 光ファイバヒューズ / テーパー加工 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
26年度は、本研究課題の最大の目的である (1) ポリマー光ファイバ（POF）中のブリルアン散乱を用いた歪・温度分布センシングを実現し、続いて その性能を向上させるべく、(2) POFの新たなテーパー加工法の提案、(3) ブリルアン光相関領域リフレクトメトリ（BOCDR）の簡素化とPOFへの適用、(4) POF中のブリルアン散乱観測時の干渉ノイズの機構解明、(5) POFヒューズ現象の各種特性解明、(6) 超音波照射によるPOF融着技術の開発、などを成果を収めた。以下、それぞれについて詳述する。
(1) POFにBOCDRを適用し、cmオーダの高空間分解能での歪や温度の分布測定を実証した。また、理論的に達成可能な極限性能を解明した。(2) 外部熱源を用いずに、高パワーの伝搬光による内部発熱を利用したPOFのテーパー加工法を開発した。等方的な加熱が容易であり、均一性に優れたテーパーが実現できる。(3) 一般にBOCDRは信号光路に加えて参照光路を必要とするが、この両者を同一光路に押し込めた簡素な実験系を提案、実装した。また、この実験系がPOFとの整合性が高いことを理論的に示した上で、POFに沿った温度分布測定を実証した。(4) 自己ヘテロダイン系による観測系では、信号光と参照光が辿る光路の差によって干渉ノイズが生じ、ブリルアン散乱スペクトル観測の信号対雑音比が劣化することを実験的に示した。更に、POFを用いた場合はその雑音が顕著になる場合があることを明らかにした。(5) POFヒューズ現象の各種特性（伝搬速度、閾値パワー密度、放射スペクトル、輝点温度、顕微鏡観測）を解明するとともに、その位置を遠隔で実時間検出する手法を開発した。POFセンサへの影響についても議論した。(6) 外部熱源を用いず超音波照射によってPOF同士を融着する技術を開発し、POFセンサの利便性を向上させた。
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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
まず、申請書に記載した最大の目標である「POF中のブリルアン散乱を用いた歪・温度の分布測定」を世界に先駆けて実証することに成功したことが挙げられる。最近、我々の研究に触発され、POFのブリルアン散乱は世界的な注目を集めており、同様の目的を掲げた競争が激化している。その中で、cmオーダという実用に適う高空間分解能での初実証を達成したことの意義は大きい。
次に、従来のシリカ光ファイバ関連技術の延長ではなく、POF独自の技術を数多く考案、実装できたことも理由である。例えば、信号増強のためのPOFのテーパー加工法については、外部熱源を用いずに高パワー伝搬光による内部発熱を利用した手法を開発することができた。熱湯を用いた簡便な手法も開発中が進んでいる。また、超音波照射を用いたPOFの融着法も開発できた。これらは、比較的低いガラス転移温度や高い柔軟性を有するPOF独自の手法であり、POFセンサの利点が強調され、その将来性を強く後押しするものであるといえる。
更に、我々の研究に注目頂いた複数の企業から共同研究開発を打診頂いていることも理由である。本研究が独りよがりではなく、実社会への貢献に直結していることを評価頂いたものと解釈しており、現在、いくつかの企業と（それぞれ独立した方向性での）共同研究が始まっている。
以上３つの理由から、本研究は当初の計画以上に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の推進方策としては、(1) POFのテーパー加工の制御性改善と新手法提案、(2) POFの分布測定における「記憶」機能の特性解明、(3) ヒューズ後のPOFの工学応用、(4) BOCDRの高速化、各種性能向上、およびPOFへの適用、などが挙げられる。以下、それぞれの詳細を記す。
(1) 26年度までに、外部熱源を用いずに高パワー伝搬光による内部発熱を用いたPOFのテーパー加工法を開発した。27年度は、伝搬光パワーや引張速度などの実験条件を変化させて特性を調査することで、テーパーの長さや形状を精緻に制御できるようにしたい。また、熱湯を用いた簡易なテーパー加工法を開発し、POFの長距離に渡るテーパー製作に応用したい。(2) これまでに、大きな印加歪の位置と大きさを塑性変形によりPOF自身が記憶する効果の存在を実証した。また、26年度行った実験により、一度印加された高温についてもPOF自身が不可逆変化により記憶する効果の存在が示唆された。27年度は、この温度に関する「記憶」効果を定量的に調査したい。(3) ヒューズの輝点が通過した後のPOFは、多少の光を通すとともに、一部が炭化しているため電気も通す。そこで、光電気相互作用長を長く取ることができるため、その相互の制御特性を調査し、スイッチングデバイスなどに応用したい。(4) 従来のBOCDRは、電気スペアナの周波数掃引速度によりシステム全体の速度が律せられていた。そこで、スペアナの掃引機能を用いない新たな系を構築し、高速化を図る。本手法では電気領域での高度な信号処理を行えるため、歪のダイナミックレンジの向上も見込まれる。また、高速BOCDR系をPOFに適用し、その際の実際的な課題（POFの多モード性や大コア径、フレネル反射に起因する信号耐雑音比の劣化などが想定される）を明らかにして対応策を考案する。
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| Causes of Carryover |
当初、プラスチック光ファイバ（POF）のテーパー加工のために高価なフィラメントを購入する予定であったが、POF中を伝搬する光による内部発熱を用いた加工が可能であることを発見し、この手法について深く研究を進めた。また、当初の計画にはない電圧制御発振器を用いたブリルアン光相関領域リフレクトメトリの超高速化・低コスト化手法を考案し、当初の目的の達成のためにも、本手法に係る研究を推し進める方が得策と考えた。以上のように、研究の進捗を踏まえた判断により、当初の計画で購入すべきとしたデバイス全てを購入するに至らなかったため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
来年度には、本研究の目的を成就するのに必要な、２台目の高パワーエルビウム添加光ファイバ増幅器や光フィルタ、高速データ集録ボードなどの購入に充てる計画である。
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