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らせん状ファイバ回折格子の開発とその応用

静岡大学 学術院工学領域 機械工学系列

教授 李 洪譜

平成30年12月13日

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コア(φ∼10μm)

クラッド(φ125μm)

ナイロン被膜(φ0.9mm)

シリコン樹脂(φ250μm)

通常のシングルモード光ファイバの構造

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長周期ファイバ回折格子（LPG）

𝜆𝑝

𝜆𝑝Λコア

クラッド

𝜆1, 𝜆2, ⋯ , 𝜆𝑝, ⋯ 𝜆1，𝜆2，⋯Λ ∶ 100~1000𝜇𝑚

1550 1575 1600

P

ピークの波長

透過

率　

(dB

)

波長 (nm)

𝝀𝒑 = 𝒏𝒆𝒇𝒇𝒄𝒐𝒓𝒆 − 𝒏𝒆𝒇𝒇

𝒄𝒍𝒂𝒅 𝚲

𝝀𝒑の変化はLPGと埋め込んだ材料の

屈折率、温度、圧力、歪み等に強く依存しているので、センサーとして屈折率、圧力、歪み、温度などの測定も可能である。

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応用場所：• トンネル、地下鉄、高速道路、空港 （温度、ひずみプラント監視）

• ダム、建物、橋 （温度、ひずみ、変位、応力、その他健康監視など）

• 燃料貯蔵タンク、石油井戸、パイプライン （ガス、圧力安全監視）

• 発電、石炭鉱業、 ケーブル層 （温度を監視）

• 軍艦、潜水艦、航空機および航空機器 （安全温度、ひずみ監視）

利点：

• 小型サイズ、軽量、簡単に曲げ、信頼性、高精度、無電磁干渉

• 温度、湿度、圧力、歪み、振動、変位、加速度パラメーターの正確な測定

• 引火性、爆発性、スペース、電気電子部品が制限されている、ぞっとするような状況に特に適している

LPGによる光ファイバセンサーへの応用

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• 広帯域阻止フィルター• センサー（ねじり、温度、化学・バイオセンサー）• 全ファイバ系偏光器、円偏光変換器• 光渦ビーム、OAMモード変換器• 光ピンセット、マイクロマニピュレータ

応用

らせん状ファイバ回折格子(HLPG)

• らせん状の固有モード（軌道角運動量モード（ＯＡＭ）• 低偏波依存損失

利点

HLPGはファイバの軸に沿って周期的なスクリュータイプ（らせん型）の屈折率変調を持つデバイスである。

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従来のHLPG製造方法とその問題点

O. V. Ivanov, Opt. Lett. 30, p. 3290

(2005).

1. 非対称コアの端面を有する特殊ファイバを加熱法

2. 集光した炭酸ガス（ＣＯ２）レーザーの照射法

S. Oh et al. Opt. Lett. 29, p. 1464

(2004).

問題点：• 極めて高い温度を有する加熱器• 回折格子ピッチの制御

問題点：• ファイバ表面の損傷• 再現性• 歩留まり率

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HLPGの新しい製作法

HLPGの周期：

8

HLPG製造法の原理

作製したHLPHの模式図

作製装置に結晶管付近の拡大図

9

試作したHLPGの測定結果

1540 1560 1580 1600-40

-30

-20

-10

0

透過

率 (

dB)

波長 (nm)

HLPGの顕微鏡写真

HLPGの透過スペクトル

AFM によるファイバ表面の写真

m648

200X

10

多チャンネルHLPGの開発

1400 1500 1600 1700

-20

-10

0

透過

率　

(dB

)

波長 (nm)

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提案したチャンネルHLPGの製造法

Λ1 Λ2 Λ3 Λ4 Λ5

･･･

𝚲 𝒛 = 𝜦𝟎 𝟏 +𝜟𝝓 𝒛

𝟐𝝅

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試作した３チャンネルHLPGの測定結果

「多チャンネル螺旋状長周期ファイバグレーティング」、石神翔馬、朱程亮、李 洪譜、電子情報通信学会2018ソサイエティ大会、C-3-28 (2018).

1520 1560 1600-15

-10

-5

0

透過

率

(dB

)

波長 (nm)

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新技術の特徴・従来技術との比較

本技術では、CO2レーザーの照射による、通常用い

られる絞りレンズの代わりに特別に設計したサファイアチューブを利用し、新しいHLPGの作製法を提案した。従来の作製法と比べて、

必要な装置が極めて簡単、しかも高効率 (歩留まり率ほぼ１００％)。

通常の石英ファイバでも、作製が可能である。

作製した回折格子は、多チャンネル、無２表面欠陥、無偏光依存性、低損失、耐高温性等利点がある。

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想定される用途

軌道角運動量（ＯＡＭ）モード多重デバイス (光通信分野)

ねじれセンサー、温度センサー、化学・バイオセンサー(光センサー分野)

広帯域光阻止フィルター、全ファイバ系光偏光器、円偏光変換器（光分野）

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軌道角運動量(OAM)モード多重デバイスへの応用

軌道角運動量モード (OAM)：

OAMモード多重光通信システム

同一のファイバ内に複数のOAMモードが共存可能なので、全体の通信容量は使用したＯＡＭのモード数を比例する。

HLPG

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軌道角運動量(OAM)モード多重デバイスへの応用

WDM+OAMモード多重光通信システム

多チャンネルHLPG

H. Zhao and H. Li, “Enhancement of high-order azimuthal mode couplings in a single-helix helical long-

period fiber grating by using the phase-sampling method,” IEEE Photon. Technol. Lett., Vol. 30, No. 7, pp.

630-633 (2018).

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HLPGによるねじり及び温度センサーへの応用

HLPGの透過スペクトル

1520 1530 1540 1550 1560

-30

-20

-10

0

透過

率　

(d

B)

波長 　(nm)

P

cHLPG

Rotation speed 20o/s

Stage speed 31.4 μm/s

Grating period 565.2 μm

Grating length 23.7384 mm

𝝀𝐩の変化はHLPGの温度、ねじり角度等に強く依存している

cHLPG

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HLPGによる温度センサー

1520 1530 1540 1550 1560

-30

-20

-10

0

P

透過

率　

(d

B)

波長　(nm)

27°C

60°C

100°C

20 40 60 80 100

1540

1542

1544

P

(nm

)温度　 (

oC)

PとHLPGの温度依存性

R. Subramanian, C. Zhu, H. Zhao, and H. Li, “Torsion, strain, and temperature sensor based on

helical long-period fiber gratings,” IEEE Photon. Technol. Lett., Vol. 30, No. 4, pp. 327-330 (2018).

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HLPGによるねじりセンサー

PとHLPGのねじり依存性

-360 -180 0 180 360

1536

1540

1544

P

(n

m)

ねじり角度　（度）

ねじり大きさの測定だけではなく、ねじり方向の識別も可能である

L. Xian, P. Wang, and H. Li, “Power-interrogated and simultaneous measurement of temperature and

torsion using paired helical long-period fiber gratings with opposite helicities,” Opt. Express, Vol. 22,

No.17, pp. 20260-20267 (2014).

1520 1530 1540 1550 1560

-30

-20

-10

0

P

透過

率

(dB

)

波長 (nm)

20

測定温度の範囲： 27-120oC (800oCでも可能）温度の分解能： ~0.8 oC

回転角度の範囲： -360o to +360o

回転角度の分解能：~1.2度(ねじりの分解能： ~3.54 nm/rad/m)

HLPGによるねじり及び温度センサーの特性

R. Subramanian, C. Zhu, H. Zhao, and H. Li, “Torsion, strain, and temperature sensor based on

helical long-period fiber gratings,” IEEE Photon. Technol. Lett., Vol. 30, No. 4, pp. 327-330 (2018).

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HLPGによる広帯域光阻止フィルターへの応用

G. Inoue, P. Wang, and H. Li, “Flat-top band-rejection filter based on two successively-cascaded helical

fiber gratings,” Opt. Express, Vol. 24, No. 5, pp. 5442-5447(2016).

カスケード接続したHLPGs

1520 1540 1560 1580 1600 1620

-20

-10

0

HLPG1

SC-HLPGs

透過

率

(d

B)

波長 (nm)

1520 1540 1560 1580 1600 1620

-20

-10

0

HLPG1 (1570 nm)

HLPH2 (1584 nm)

SC-HLPGs

透過

率

(dB

)

波長 (nm)

シミュレーション結果 実験結果

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HLPGによる円偏光変換器への応用

カスケード接続したHLPGs

cHLPG ccHLPGLP01-

LP01+

LP01+

左円偏光（LCP） 右円偏光（RCP）

直線偏光（DCP） 右円偏光（RCP）

C. Zhu, T. Yamakawa and H. Li, “All-fiber circular polarization filter realized by using helical long-

period fiber gratings,” IEEE Photon. Technol. Lett., 出版中, DOI: 10.1109/LPT.2018.2871844 (2018).

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HLPGの実用化に向けた課題

• 高次のＯＡＭモードを有するＨＬＰＧの開発

• 多チャンネルHLPGの作製技術の実用化

• 細線化したナノ・マイクロファイバにHLPGの作製技術の開発

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企業への期待

• らせん状ファイバ回折格子の製作技術を更に発展させ、多チャンネルHLPG作製技術の実用化や、化学・バイオセンサ等にも応用可能な細線化したHLPGの

作製技術の開発、及びその応用について共同研究、共同開発を希望する。

• 特に、光ファイバ通信デバイス及び光ファイバセンサ等を開発中の企業や、今後、光ファイバ通信、光ファイバセンサ、光医療等の光産業分野への展開を考えている企業には、本技術の導入が有効と思われる。

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本技術に関する知的財産権

• 発明の名称：

多チャンネルファイバグレーティング、

多チャンネルファイバグレーティング製造装置及び

多チャンネルファイバグレーティングの製造方法

• 出願番号 :特願2018-158581

• 出願人 ：国立大学法人静岡大学

• 発明者 ：李 洪譜、朱 程亮

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お問い合わせ先

静岡大学イノベーション社会連携推進機構

コーディネータ 大場 弘行

ＴＥＬ 053－478－1702

ＦＡＸ 053－478－1711

e-mail sangakucd＠cjr.shizuoka.ac.jp