特開 2024-49011 光ファイバセンサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024049011

(43)【公開日】2024-04-09

(54)【発明の名称】光ファイバセンサ

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/41 20060101AFI20240402BHJP

【ＦＩ】

G01N21/41 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022155223

(22)【出願日】2022-09-28

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２９年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、戦略的創造研究推進事業、チーム型研究（ＣＲＥＳＴ）、「根圏ケミカルの網羅的解析と新規根圏モニター技術の開発」委託研究、産業技術力強化法第１７条第１項の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】598123138

【氏名又は名称】学校法人 創価大学

(71)【出願人】

【識別番号】515117682

【氏名又は名称】株式会社コアシステムジャパン

(74)【代理人】

【識別番号】110000800

【氏名又は名称】デロイトトーマツ弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】櫻井 望

(72)【発明者】

【氏名】細木 藍

(72)【発明者】

【氏名】西山 道子

(72)【発明者】

【氏名】渡辺 一弘

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 博幸

【テーマコード（参考）】

2G059

【Ｆターム（参考）】

2G059AA05

2G059BB04

2G059EE04

2G059HH02

2G059JJ17

2G059LL02

(57)【要約】

【課題】曲げを付与することなく、センサ感度の向上を図ることが可能な光ファイバセンサを提供する。
【解決手段】光ファイバセンサ１００は、コア１１及びコア１１の外周に設けられたクラッド１２を有する光伝送部１０と、光伝送部１０の途中に設けられ、光伝送部１０を伝送する光の一部の外界との相互作用を可能にするセンサ部２０とを備える。センサ部２０は、光伝送部１０のコア１１よりも小径であって、両端面がそれぞれコア１１に連なるコア２１と、コア２１と離間して設けられ、両端面のそれぞれの少なくとも一部が光伝送部１０のコア１１の端面と重なる領域２２と、コア２１の外周に設けられ、領域２２を取り囲み、領域２２の屈折率よりも屈折率が大きく、両端面がそれぞれ光伝送部１０のクラッド１２に連なるクラッド２３とを有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

コア及び該コアの外周に設けられたクラッドを有する光伝送部と、
前記光伝送部の途中に設けられ、該光伝送部を伝送する光の一部の外界との相互作用を可能にするセンサ部とを備え、
前記センサ部は、
前記光伝送部のコアよりも小径であって、両端面がそれぞれ前記光伝送部のコアに連なるコアと、
前記コアと離間して設けられ、両端面のそれぞれの少なくとも一部が前記光伝送部のコアの端面と重なる領域と、
前記コアの外周に設けられ、前記領域を取り囲み、前記領域の屈折率よりも屈折率が大きく、両端面がそれぞれ前記光伝送部のクラッドに連なるクラッドとを有することを特徴とする光ファイバセンサ。

【請求項2】

前記センサ部は、前記領域を前記センサ部のコアの軸心を中心として対称に複数有していることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサ。

【請求項3】

前記センサ部は応力付与型偏波保持光ファイバであるパンダファイバからなり、前記センサ部の領域は前記パンダファイバのストレスロッドであることを特徴とする請求項２に記載の光ファイバセンサ。

【請求項4】

前記光伝送部と前記センサ部とは融着により接合されていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の光ファイバセンサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光ファイバセンサに関する。

【背景技術】

【0002】

表面プラズモン共鳴（Surface Plasmon Resonance：ＳＰＲ）励起のエネルギ供給源となる光エバネッセント波の相互作用を原理として光ファイバをセンサ機能化した光ファイバセンサが知られている。一般に光が全反射する際に生じるエバネッセント波の外界への染み出しは入射角が臨界角度に近いほど深く、外界物質と大きく相互作用する。そのため、センサ感度を向上させるには、入射角を臨界角度に近付ければよい。光ファイバセンサに曲げを付与すれば、入射角を臨界角度に近付けることが可能であることは知られている。

【0003】

例えば、非特許文献１には、ヘテロコア光ファイバＳＰＲセンサに曲げを付与することにより、センサ感度を向上させることが開示されている。このヘテロコア光ファイバＳＰＲセンサは、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）の途中に、小さいコア径のシングルモードファイバ（ＳＭＦ）の小切片を挿入して融着することにより、ヘテロコア部を形成している。

【0004】

ＭＭＦのコアを伝搬してきた光の多くはＳＭＦのクラッドに漏洩し、クラッドと外界との境界における光の全反射によってエバネッセント光が生じる。実験例として、ヘテロコア部に曲げを付与すると入射角度分布のピークが約１度減少して臨界角度に近付き、センサ感度が向上したことが記載されている。

【0005】

また、クラッドを除去したアンクラッドファイバに曲げを付与することにより、センサ感度を向上させることも知られている。例えば、非特許文献２にはプラスチッククラッドシリカファイバー（コア径６００μｍ）を用いた例が、非特許文献３には通信用マルチモードファイバ（ＭＭＦ）（コア径６２．５μｍ）を用いた例が開示されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】K. Takagi, H. Sasaki, A. Seki, and K. Watanabe, Surface plasmon resonances of a curved optical hetero-core fiber sensor, Sens. Actuators A 161 (1-2) (2010) 1-5. https://doi.org/10.1016/j.sna.2010.03.009.

【非特許文献2】B.D. Gupta, H. Dodeja, and A.K. Tomar, Fibre-optic evanescent field absorption sensor based on a U-shaped probe, Opt. Quant. Electron 28 (1996) 1629-1639. https://doi.org/10.1007/BF00331053.

【非特許文献3】J.-C. Hsu, S.-W. Jeng, and Y.-S. Sun, Simulation and experiments for optimizing the sensitivity of curved D-type optical fiber sensor with a wide dynamic range, Opt. Commu. 341 (15) (2015) 210-217. 1664323852523_0.038.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかし、上記特許文献１などに開示されたヘテロコア光ファイバセンサにおいては、センサ感度を高めるために過度な曲げを付与すると、センサが破損するという課題があった。また、非特許文献２，３などに開示されたアンクラッドファイバにおいては、エバネッセント光を取り出すために、機械的研磨や化学的溶解によってクラッド層を除去するため、機械的強度が低く実用的でないという課題があった。

【0008】

本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、曲げを付与することなく、センサ感度の向上を図ることが可能な光ファイバセンサを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の光ファイバセンサは、コア及び該コアの外周に設けられたクラッドを有する光伝送部と、前記光伝送部の途中に設けられ、該光伝送部を伝送する光の一部の外界との相互作用を可能にするセンサ部とを備え、前記センサ部は、前記光伝送部のコアよりも小径であって、両端面がそれぞれ前記光伝送部のコアに連なるコアと、前記コアと離間して設けられ、両端面のそれぞれの少なくとも一部が前記光伝送部のコアの端面と重なる領域と、前記コアの外周に設けられ、前記領域を取り囲み、前記領域の屈折率よりも屈折率が大きく、両端面がそれぞれ前記光伝送部のクラッドに連なるクラッドとを有することを特徴とする。

【0010】

本発明の光ファイバセンサによれば、入射端側の光伝送部のコアからセンサ部のコアに入らずに漏れ出た光の一部は、領域内に入射される。領域の屈折率よりもセンサ部のクラッドの屈折率が大きいので、スネルの法則により、この光が領域からクラッドに出射する出射角は、領域内に入射したときの入射角よりも小さくなる。そして、この小さな角度でクラッドと外界との境界面に光は入射する。そのため、センサ部に屈折率の小さな上記領域が存在しない上記非特許文献１などに開示されているヘテロコア光ファイバセンサと比較して、境界面への入射角度が臨界角度に近付き、この境界面における全反射によって多くのエバネッセント波が発生し得るので、センサ感度の向上を図ることが可能となる。

【0011】

本発明の光ファイバセンサにおいて、前記センサ部は、前記領域を前記センサ部のコアの軸心を中心として対称に複数有していることが好ましい。

【0012】

この場合、上記領域が複数存在するので、領域が１つである場合と比較して、エバネッセント波が発生する境界面の範囲が増加すると共に、上記領域がコアを中心に対称に位置しているので、エバネッセント波が発生する境界面の範囲も対称となり、より均一かつ多くのエバネッセント波を発生させることが可能となる。

【0013】

また、本発明の光ファイバセンサにおいて、前記センサ部は応力付与型偏波保持光ファイバであるパンダファイバからなり、前記センサ部の領域は前記パンダファイバのストレスロッドであることが好ましい。

【0014】

この場合、センサ部が市販のパンダファイバからなるものとできるので、簡易に本発明の光ファイバセンサを作製することが可能となる。

【0015】

また、本発明の光ファイバセンサにおいて、前記光伝送部と前記センサ部とは融着により接合されていることが好ましい。

【0016】

この場合、光伝送部とセンサ部とを簡易かつ強固に接合することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の実施形態に係る光ファイバセンサの模式断面図。

【図2】図１のII－II線模式断面図。

【図3】光ファイバセンサの説明図

【図4】実施例における各屈折率の相違によるＳＰＲ波長と光損失との関係を示すＳＰＲスペクトルのグラフ。

【図5】比較例における各屈折率の相違によるＳＰＲ波長と光損失との関係を示すＳＰＲスペクトルのグラフ。

【図6】実施例及び比較例における屈折率とＳＰＲ共鳴波長との関係を示すグラフ。

【図7】実施例及び比較例における単一波長光に対する屈折率と光損失との関係を示すグラフ。

【図8】実施例及び比較例における屈折率と光損失との関係を示すグラフ。

【発明を実施するための形態】

【0018】

本発明の実施形態に係る光ファイバセンサ１００について図面を参照して説明する。なお、図面は、光ファイバセンサ１００及びその構成要素などを明確化するためにデフォルメされており、実際の比率を表すものではない。

【0019】

光ファイバセンサ１００は、図１及び図２を参照して、光伝送部１０と、光伝送部１０の途中に設けられ、光伝送部１０を伝送する光の一部の外界との相互作用を可能にするセンサ部２０とを備えている。センサ部２０の長さは、例えば、数ｍｍから数十ｍｍである。

【0020】

光伝送部１０は、コア１１及びコア１１の外周に設けられたクラッド１２を有している。光伝送部１０は、例えば、コア１１の直径が５０μｍ、クラッド１２の直径が１２５μｍの通信用の光ファイバであるマルチモードファイバ（ＭＭＦ）からなる。

【0021】

センサ部２０は、光伝送部１０のコア１１よりも小径であって、両端面がそれぞれ光伝送部１０のコア１１に連なるコア２１を有している。センサ部２０は、コア２１と離間して設けられ、両端面のそれぞれの少なくとも一部がコア１１の端面と重なる領域２２を有している。また、センサ部２０は、コア２１の外周に設けられ、領域２２を取り囲み、両端面が光伝送部１０のクラッド１２に連なるクラッド２３を有している。

【0022】

コア２１は、ここでは、断面円形状であり、その直径は光伝送部１０のコア１１の直径よりも小さい。コア２１の直径は、例えば、通信用の光ファイバであるシングルモードファイバ（ＳＭＦ）のコアと同じ９μｍや３μｍなどである。クラッド２３の外径は、光伝送部１０のクラッド１１の外径と同じであることが好ましい。コア２１の両端面は、それぞれが全体に亘ってコア１１の端面と重っている。

【0023】

領域２２は、ここでは、２つ存在しているが、少なくとも１つ存在していればよい。ただし、領域２２は、２つ以上存在していることが好ましく、この場合、複数の領域２２は、コア２１の軸心を中心に対称に存在していることが好ましい。ここでは、２つの領域２２とコア２１との各軸心は一平面上に位置している。

【0024】

領域２２は、コア２１と平行して延びるように存在しており、その両端面のそれぞれの少なくとも一部がコア１１の端面と接している。これにより、コア１１を伝送する光の一部がコア２１の他に領域２２内に入ることになる。領域２２の断面は、ここでは、円形状であるが、これに限定されず、矩形状、多角形状、楕円形状などであってもよい。

【0025】

センサ部２０は、例えば、応力付与型偏波保持光ファイバであるパンダ（ＰＡＮＤＡ：Polarization maintaining AND Absorption reducing）ファイバからなる。これにより、センサ部２０に市販のパンダファイバを用いることが可能となる。パンダファイバは、コア２１を中心に２つの断面円形状のストレスロッドが配置されている光ファイバである。パンダファイバのストレスロッドは、領域２２になる。

【0026】

センサ部２０は、また、ｂｏｗ－ｔｉｅファイバなどの他の形式の応力付与型偏波保持光ファイバからなるものであってもよい。ｂｏｗ－ｔｉｅファイバはコア２１と２つの領域２２となるストレスロッドが全体としてなす断面形状が蝶ネクタイ（ｂｏｗ－ｔｉｅ）状であり、個々のストレスロッドの断面形状は環状扇状（バームクーヘン状）である。

【0027】

クラッド２３の屈折率は、領域２２の屈折率と比較して僅かに大きい。すなわち、領域２２は、クラッド２３を満たす媒体の屈折率よりも僅かに小さい屈折率の媒体で満たされている。なお、領域２２は空隙ではない。また、領域２２の屈折率はコア２１の屈折率と比較して僅かに小さいことが好ましい。

【0028】

光伝送部１０とセンサ部２０とは融着などにより接合されている。光伝送部１０とセンサ部２０とを融着により接合することにより、これらを簡易かつ強固に接合することが可能となる。

【0029】

さらに、センサ部２０の外周面全体に、金、銀などの金属からなる金属膜３０が蒸着などにより形成されている。金属膜３０の厚さは、例えば、数ｎｍから数十ｎｍである。

【0030】

さらに、図３を参照して、光ファイバセンサ１００の入射端である一方の光伝送部１０の入射端には、半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザなどの発光素子を有する光源４１が接続されている。光ファイバセンサ１００の出射端である他方の光伝送部１０の端部には、フォトダイドード（ＰＤ）や電荷結合素子（ＣＣＤ）などの受光素子を有する光パワーメータなどの受光部４２が接続されている。さらに、受光部４２には、ＣＰＵやメモリ等を備えた検出部４３が接続されている。なお、受光部４２から検出部４３に無線で受光信号を送信してもよい。

【0031】

以上のように構成された光ファイバセンサ１００において、入射端側の光伝送部１０のコア１１からセンサ部２０のコア２１に入らずに漏れ出た光の一部は、領域２２内に入射される。そして、この光が領域２２に入射したときの入射角をθ1とすると、領域２２の屈折率よりもクラッド２３の屈折率が大きいので、スネルの法則により領域２２からクラッド２３に出射する光の出射角θ2は、θ1よりも小さくなる。そして、この角度θ2でクラッド２３と外界との境界面に入射する。

【0032】

そのため、センサ部２０に領域２２が存在しない上記非特許文献１などに開示されているヘテロコア光ファイバセンサと比較して、境界面への入射角度が臨界角度に近付くので、この境界面における全反射によって多くのエバネッセント波が発生し、センサ感度の向上を図ることが可能となる。

【0033】

なお、本発明は、上述したように光ファイバセンサ１００に限定されない。例えば、図示しないが、光源４１が接続されている光伝送部１０の中途部に光カプラを設け、この光カプラで別の光伝送部を分岐させるとともに、他方の光伝送部１０の端部に銀蒸着などによって鏡を形成した反射部を設けてもよい。この場合、分岐された光伝送部の端部が出射端となり、この出射端に受光部４２を接続すればよい。

【実施例0034】

実施例として、センサ部２０がパンダファイバからなる光ファイバセンサ１００を作製した。

【0035】

具体的には、光伝送部１０として、コア１１が直径５０μｍ、クラッド１２が直径１２５μｍの市販の通信用の光ファイバであるマルチモードファイバ（ＭＭＦ）（株式会社フジクラ製のＦｕｔｕｒｅＧｕｉｄｅ－ＭＭ５０）を用いた。

【0036】

センサ部２０として、コア２１が直径３μｍ程度、クラッド２３が直径１２５μｍ、ストレスロッド（領域）２２が直径３４μｍの市販のパンダファイバ（ソーラボジャパン株式会社から購入したＰＭ－Ｓ４０５－ＸＰ）を用いた。ストレスロッド２２は、２つ存在し、それぞれの中心がコア２１の中心を挟んで２７．５μｍだけ離れて対称に位置している。センサ部２０の長さは１５ｍｍであった。光伝送部１０とセンサ部２０とは融着により接合した。

【0037】

さらに、センサ部２０の外周面全体に、金からなり、厚さ３０ｎｍの金属膜３０を蒸着により形成した。

【0038】

一方、比較例として、センサ部２０が、コアが直径３μｍ、クラッドが直径１２５μｍの市販のシングルモードファイバ（ＳＭＦ）（Ｎｅｗｐｏｒｔ（米国）社製のＦ－ＳＡ）からなることだけが実施例と相違する光ファイバセンサ１００を作製した。

【0039】

センサ部２０を構成する光ファイバのモードフィールド径（ＭＦＤ：Mode Field Diameter）は、実施例は波長４８８ｎｍにて２．８～４．１μｍであり、比較例は波長４０５ｎｍにて３．３±０．５μｍ、波長６３０ｎｍにて４．６±０．５μｍであった。センサ部２０を構成する光ファイバの開口数（ＮＡ）は、実施例は０．１０～０．１４、比較例は０．１２であった。

【0040】

センサ部２０を構成する光ファイバのクラッド２３の屈折率は、実施例は波長４８８ｎｍにて１．４６３０２、波長５１４ｎｍにて１．４６１５９であり、比較例は波長４０５ｎｍにて１．４６５８である。そして、センサ部２０を構成する光ファイバの動作波長は、実施例は４８８～６３３ｎｍであり、比較例は４００～６８０ｎｍである。

【0041】

実施例及び比較例の光ファイバセンサ１００を用いて、屈折率が１．３３ＲＩＵ～１．３９ＲＩＵの範囲で相違する複数のグリセリン水溶液に、一直線状に固定した状態のセンサ部２０を浸漬させた状態で、それぞれＳＰＲスペクトルを計測した。なお、光源４１として、オーシャンフォトニクス株式会社製の白色光源ＨＬ－２０００－ＬＬを用いた。受光部４２及び検出部４３として、ソーラボジャパン株式会社製の光ファイバ分光器ＣＣＳ２００を用いた。

【0042】

各屈折率におけるＳＰＲ波長と光損失との関係を示すＳＰＲスペクトルのグラフを、それぞれ、図４、図５に示す。ＳＰＲスペクトルのピークから各屈折率におけるＳＰＲ共鳴波長λresが求まる。なお、実施例においては、各屈折率においてＳＰＲスペクトルのピークが比較例ほど明確に表れていない。これは、実施例においては、光伝送路１０のコア１１から漏れ出た光は、センサ部２０の領域２２を介して外界への境界面に入射するものと、領域２２を介さずに外界への境界面に入射するものとが存在するからであると推察される。

【0043】

実施例及び比較例における屈折率とＳＰＲ共鳴波長λresとの関係を示すグラフを図６に示す。実施例においては、屈折率１．３３２ＲＩＵにおけるセンサ感度に対応する屈折率分解能は３．９７×１０^-4ｎｍ／ＲＩＵ、屈折率１．３９６ＲＩＵにおける屈折率分解能は８．５３×１０^-５ｎｍ／ＲＩＵであった。なお、波長分解能は０．５ｎｍである。屈折率分解能はセンサ感度に対応する。一方、比較例においては、屈折率１．３３２ＲＩＵにおける屈折率分解能は５．６９×１０^-4ｎｍ／ＲＩＵ、屈折率１．３９６ ＲＩＵにおける屈折率分解能は１．３７×１０^-4ｎｍ／ＲＩＵであった。これらから、実施例の光ファイバセンサ１００は、比較例と比べてセンサ感度が高いことがわかった。

【0044】

実施例及び比較例における単一波長光に対する屈折率と光損失との関係を示すグラフを図７に示す。ここでは、単一波長光の波長は近赤外光領域の８５０ｎｍであった。なお、単一波長光であれば、光源４１として安価なＬＥＤを、受光部４２及び検出部４３として簡素な計測機器を使用することが可能となるなどの利点が生じる。なお、光損失は、厚さ３０ｎｍの金からなる金属膜３０で空気を取り囲んだ状態における理論値を基準（１．０）とした正規値を示している。図７から、実施例の光ファイバセンサ１００は、比較例と比べてセンサ感度が約１．５倍と高いことが分かる。これは、実施例は、単一波長においてもセンサ感度が高いことを示している。

【0045】

このように実施例においては従来例よりもセンサ感度が高いが、これは上記非特許文献１などの開示を参照して、センサ部２０と外界との境界面における光の入射角が臨界角度に近付くからであると考えられる。そこで、これを検証するために、金薄膜などをコートしていない実施例と比較例において、濃度が約６０～９０％のグリセリン水溶液に対する、センサ部２０の外界との境界面における屈折率と伝搬光損失（波長４５０～８００ｎｍにおける平均値）との関係を求めた。その結果を図８に示す。

【0046】

実施例の入射角分布のピーク角度は約８３°であり、従来例の入射角分布のピーク角度の約８４°と比較して、約１°臨界角度に近付いていることが分かった。これより、上記の仮説が成立することが立証された。

【符号の説明】

【0047】

１０…光伝送部、 １１…コア、 １２…クラッド、 ２０…センサ部、 ２１…コア、 ２２…領域、ストレスロッド、 ２３…クラッド、 ３０…金属膜、 ４１…光源、 ４２…受光部、 ４３…検出部、 １００…光ファイバセンサ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】