| 研究課題/領域番号 |
25420346
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 研究機関 | 早稲田大学 |
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研究代表者 |
坪川 信 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (70595975)
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| 研究期間 (年度) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| キーワード | 国際情報交換 / 国際会議講演 / 学術誌掲載 |
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| 研究概要 |
光スラブ導波路や光ファイバの上／側面を光入出力のインターフェースとする新しい形態の集光器もしくは光受光器を実現することが目的であり、そのために導波路の構造提案を行い、集光機能等の評価を実施した。特にスラブ導波路よりも高い集光効率が期待できる光ファイバに着目し、クラッドの一部に散乱層を付与させる構造を新規提案し、光線追跡法により評価を実施した。
散乱層の付与により、光ファイバの長さ方向に対する集光効率はスラブ形状に比べ、1桁程度改善され、1mm外径の光ファイバで集光に有効に寄与する長さが1m程度に拡大できることが分かり、同時に散乱層の配置条件に応じて径方向に鋭い、受光の指向性を有することが確認された。これは光ファイバセンサへの利用が期待できる特徴の１つである。
上記結果に基づき、短尺で細径の光ファイバプローブへの応用について検討を進めた。本提案では1mmφで長さ50mmの形状で片側端面内に発光素子及び面受光素子を備え、クラッドの一部にMie散乱層を設ける構造を採用した。光源からの光は光ファイバ側面から指向性を持って発光され、プローブ周囲に物体が分布している場合、その物体面で反射された一部の光は再びプローブ側面を通じて散乱過程を経て受光器に到達する。この受光パワーをモニタすることで周囲に分布する物体計測が可能となる。シミュレーション結果の一例として、光ファイバプローブ周囲20mm程度までに位置する被測定物体に対して0.01％－10％の受光効率での光検出が認められた。さらに、空間的に分布する物体を測定するため、光ファイバ内の散乱層をスパイラル形状に構成することにより、長さ方向の物体分布の測定が～2mmの空間分解能で達成できることが検証された。本手法に関しては、S/Nの改善及び長さ方向に対する受光効率平坦化などが主な課題となる。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
H25年度の達成度は、以下の理由により、ほぼ100%と考える。
まず計画に沿って、代表的なスラブ型導波路及び本研究の主眼となる光ファイバにおける集光特性を改善するための新たな構造の提案を行い、光線追跡シミュレーションを用いて集光特性等の特性評価を実施した。具体的には、集光機能を改善するために微小なMie散乱球を含む散乱層を導波路内に配置したモデルを考案し、側面からの入射光を散乱効果で伝搬方向に一部取り込む手法を検討し、その散乱部の構造や密度、配置条件に対する集光特性を分析した。特に円筒形状の光ファイバはレンズ効果により、スラブに比較して高い集光性能を示すことなど成果を学術論文にまとめ発表した。
次に提案構造では、光ファイバ径の減少と長さの増加に対して集光性能が顕著な減少傾向を示したため、応用例として細径で短尺な注射針のような光ファイバプローブへの応用検討を進めた。これは26年度以降の実施計画であったが、類似構造での可能性が推定できたため、新しいセンサ用途として先行的に検討し、得られた成果を国際会議において発表した。側面を入出射光のインターフェースとして用いる構造により、光ファイバに沿った物体の分布が測定可能となることを明らかにした。
当初計画ではシミュレーション結果の一部実験検証を予定していたが、実験装置の一部購入と予備試験に留まり、次年度以降の継続課題とした。これは実験よりも、先行的に有望と思われる応用例の理論検討とシミュレーションによる検証を進めておくことを重視した理由による。実験については今後に徐々に装置をそろえながら、焦点を絞って実施していく予定である。
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| 今後の研究の推進方策 |
光ファイバ型の集光器における主な課題は集光率の長さ特性の改善である。光ファイバ長手方向に対する受光感度を向上させることで比較的長い光ファイバの利用が可能となり、センサ用途拡大が見込める。次年度は、まず、この点に着目し、長手方向の感度の改良を目指したに新たな光ファイバ構造の分析を進める。
具体的には、センサに求められる長手方向に均一な感度特性の実現を目指し、初年度検討の結果を踏まえて、光ファイバに内在させる散乱層の粒子数密度の制御、特に長手方向の最適な分布を検討し、感度特性への効果を評価する。さらに、長さ特性の改善が獲られた場合、比較的長尺な形状を活かした大型光受光器やファブリック型受光器などへの適用性について分析する。
後半には、これまでのマクロな光線追跡手法ではなく、散乱・回折効果をFDTD法など用いてミクロに分析することで集光特性の一層の向上に向けた検討を進める。具体的には回折格子や散乱体などの形状を変化させた場合の形状に依存した散乱効率と伝搬損失の特性を評価し、集光に効果的な散乱体形状を探る。
さらに、最終の27年度には単純な集光機能に加え、光ファイバ長手方向及び周囲径方向に分布する物体検出への応用を目指し、短光パルスによる時間分解測定や光トポグラフィーと類似の低コヒーレンス光源適用による物体の空間分解測定法などの手法を組み込んだセンサ応用の検討を進める。また、これと並行して実験による検証を進める。
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| 次年度の研究費の使用計画 |
当年度、計算機シミュレーションで得られた結果の一部を実験により検証していく計画をたてていたが、限られた予算の中で効率良く実験準備を行うにあたり、実験項目を絞る観点から、先に出来るだけ理論検討を進めつつ、徐々に実験器具類をそろえていくこととした。
次年度使用額が生じたのは、上記理由で購入予定物品の一部を変更、延期したことによる。
実験用品の追加購入等に充てる予定である。
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