光ファイバセンサとは？ ～ 光を用いた人工神経の研究 ～

建物や橋、トンネル、ダムやパイプラインなど、さまざまな社会インフラの経年劣化や地震による損傷を正確に診断する技術の需要が高まっています。従来の電気センサは、大量の電気配線を必要とし、限られた箇所の情報しか得られないなどの課題がありました。このような背景の下、光ファイバをさまざまな構造物に「神経」として埋め込もう、という新たな取り組みが始まっています。この人工神経が機能すれば、その構造物自身が「ここが痛い」「ここが熱い」など、人間と同じような反応を示してくれることになり、維持管理の効率が飛躍的に向上します。このような構造物は、スマートストラクチャと呼ばれています。

そこで、水野研究室では、スマートストラクチャを実現するための光ファイバセンシング技術を中心に、幅広い研究活動を推進しています。以下では、(1) 分布型光ファイバセンサ、(2) プラスチック光ファイバセンサ、(3) プラスチック光ファイバヒューズ、(4) 相関領域ライダ、を紹介します。
　

１．分布型光ファイバセンサ

長い光ファイバに沿った任意の位置でひずみ（伸び）や温度などの計測ができるセンサを「分布型光ファイバセンサ」と呼びます。分布型光ファイバセンサにはいろいろな方式が知られていますが、我々は光ファイバ中のブリルアン散乱という現象に伴う光周波数シフトを利用しています。特に、光ファイバの片端から光を入射するだけで動作する手法「ブリルアン光相関領域反射計（BOCDR）」に注目して研究を進めています。BOCDRは、元東京大学の保立和夫教授（現豊田工業大学長）の指導の下、水野が博士課程在籍中に発明し、特許を取得したオリジナル技術です。近年の性能向上は著しく、世界最高の空間分解能（どれだけ短い区間のひずみが測れるか）と動作速度を兼ね備える、世界屈指の分布測定技術にまで成長しました（こちらの動画もご覧ください）。しかし、実用化のためには乗り越えるべき課題がまだ残されています。水野研究室では、BOCDRを含む分布型光ファイバセンサの世界最高性能の追究と実用化の促進をコアテーマとして、研究活動を推進しています。

※ 詳しくは、超音波テクノと光学ハイライトの解説記事をご覧ください。

参考論文: Opt. Express 16, 12148 (2008); J. Lightwave Technol. 28, 3300 (2010); Light: Sci. Appl. 5, e16184 (2016); Opt. Express 29, 13794 (2021); IEEE Sens. J. 22, 6644 (2022); J. Lightwave Technol. 40, 5708 (2022).

２．プラスチック光ファイバセンサ

従来の光ファイバセンサの研究で専ら用いられていたのは、通信向けに広く利用されているシリカガラスファイバでした。しかし、ガラスファイバは数%伸びるだけで切れてしまうため、それ以上の大きなひずみを計測することはできませんでした。そこで我々は、100%（長さが2倍になる）以上の巨大なひずみにも耐えられるほどの高い柔軟性をもつプラスチック光ファイバ（POF）を用いたセンサの研究も推進しています。これまでに、POF中のブリルアン散乱の初観測に成功し、巨大なひずみに対する特異な挙動を解明しました。また、これを用いて世界初の分布測定を実証しました。近年では、東京工業大学の中村健太郎教授（光ファイバセンシング振興協会理事長）とともに、POFの塑性変形を活用した新概念「記憶をもつセンサ」を提唱しています。加えて、POF中に描画したグレーティングやモード間干渉に関する研究も進めており、POFセンサの開発は水野研究室の特徴的なテーマになっています。現在、キプロスやドイツのグループと共同研究を進めています。

※ 詳しくは、IEICE 招待講演の予稿をご覧ください。

参考論文: Appl. Phys. Lett. 97, 021103 (2010); J. Lightwave Technol. 32, 3999 (2014); Opt. Lett. 44, 2097 (2019); Appl. Phys. Express 12, 082007 (2019); Photon. Res. 9, 1719 (2021); Appl. Phys. Express 15, 072002 (2022).

３．プラスチック光ファイバヒューズ

光ファイバヒューズ現象とは、高パワー光の入射により光ファイバに発生した光放電（輝点）がそのファイバを破壊しながら光源に向かって伝搬する現象で、これまでガラスファイバにおいては多くの研究報告がなされてきました（詳細は、物質・材料研究機構の轟眞市博士による特集ページをご覧ください）。我々は、偶然、プラスチック光ファイバ（POF）中でのヒューズ現象を初めて観測することができました（こちらの動画もご覧ください）。その後、轟博士とともに詳細な調査を積み重ね、ガラス光ファイバ中よりも1～2桁遅い伝搬速度や180倍小さい閾値パワー密度、圧倒的に低い伝搬損失をはじめ、螺旋状のヒューズ跡やその導電性など、さまざまな特異な性質を明らかにしました。そして昨今、ヒューズ現象を生じた後のPOFが新規光学材料として注目を集めており、工学応用に関する取り組みが世界的に活発になっています。我々はブラジルやポルトガルのグループと共同研究を進めており、最近、超高感度の磁界計測への応用を実証しました。

※ 詳しくは、光アライアンスとLFWの解説記事をご覧ください。

参考論文: Appl. Phys. Lett. 104, 043302 (2014); Sci. Rep. 4, 4800 (2014); Opt. Express 26, 12939 (2018); Adv. Photon. Res. 2, 2000078 (2021); Adv. Photon. Res. 3, 2100209 (2022); Adv. Photon. Res. 3, 2100210 (2022).

４．相関領域ライダ

振動検出技術は、自動車部品などの特性解析や構造物の異常検知など、様々な分野で需要が高まっています。従来のレーザドップラ振動計では測距が想定されていないため、測定レンジが短い、高速な測定位置の切り替えが難しい、などの問題点がありました。そこで、長距離の測距と振動検出能力を備えたライダ（LiDAR＝光検出と測距＝測定対象に光を照射しその反射光を解析して、測定対象までの距離を測定する技術）の実現が望まれています。水野研究室では、上記の分布型光ファイバセンサの原理を空間系に拡張し、光干渉の性質（光の相関）を巧みに制御することで、長距離の測距と振動検出を同時に行うことのできる「相関領域ライダ」を開発しました。性能実証として、100 kHzの高速振動測定に成功しています。現在、多方面から性能向上を推進中です。

※ 詳しくは、プレスリリース をご覧ください。

参考論文: APL Photon. 6, 101302 (2021).