集積光ファイバーセンサー
シリコンフォトニクス技術で分布型光ファイバーセンサーの超小型化に挑戦
関連キーワード
フォトニックセンサー ／ 光ファイバーセンサー ／ 光集積
技術概要
社会インフラの老朽化・労働人口不足・環境問題・生産性の低迷など、様々な社会課題が顕在化しています。我々は、これらを解決するコア技術として、フォトニクス技術を利用したエッジセンサーの研究開発に取り組んでいます。レーザー技術を駆使したフォトニックセンサーは性能が優れる一方で、エッジ領域での普及には価格感が迎合しません。これを解決するために、これまで大規模な現場や研究所での使用に留まっていた高性能なフォトニクスセンサーを光集積技術で量産し、超低コスト・小型・低消費電力のIoTセンサーとして広く社会実装することを目指しています。
集積光ファイバーセンサーは、これまで大型・高価だった機能を、小型・低価格で実現することを目指し、現在集積の利点を活かす方式の検証とともに、集積光ファイバーセンサーの試作・検証に取り組んでいます。実用化されれば、小型センサーによって、髪の毛ほどの太さの光ファイバーに伝わる温度や歪みを位置の情報とともに一括してセンシングできます。
OKIならではの強みはなにか？
OKIはこれまで、光半導体・光ファイバー通信・光ファイバーセンシングの研究開発に取り組んでおり、光波の高度な制御・計測、高速信号処理技術が蓄積されています。光集積の利点を活かした計測原理の創出力・光集積回路の設計技術が強みです。また、多彩な現場実験を繰り返し、研究者が実運用上の課題解決に取り組んできた経験があります。これらを結集し、OKIならではのフォトニックセンサーの研究開発を行っています。
高価な光学系を集積によって安価に製造しても、高周波数の電子回路や、複雑な演算を伴うディジタル信号処理が必要だと低コスト化と小型化を実現できません。このような高周波回路を用いずに分布型光ファイバーセンサーの機能を実現する方式として、光周波数領域反射リフレクトメトリー（Optical Frequency Domain Reflectometry：OFDR）方式に注目しています。集積光ファイバーセンサーの目標性能として、測定距離200m、空間分解能10㎝、歪み測定精度±1μεの実現を目指します。
図1（a）は、集積試作前に方式の妥当性を評価するためのファイバー光学系です。このような光回路のコア機能を、（b）のようにシリコンフォトニクス技術で試作しました。（a）のファイバー光学系の構築に必要なスペースは、約1m四方ですが、（b）の光集積コア回路のサイズは約1.5mm角であり、超小型化が可能です。図2は、図1（a）のファイバー光学系による歪み計測の結果です。3段階に100με間隔で歪みを加えた分布測定結果を示しています。この検証の空間分解能は5cm、歪み精度は約13μεであり、高い空間分解能と高感度な測定を得られる方式であることが分かります。
想定される市場領域は？
分布型光ファイバーセンサーは、図に示すような、橋梁など社会インフラの維持管理・高速道路の状態監視・トンネルの状態監視などで優位性が実証されてきました。本研究開発によって、集積光ファイバーセンサーは、これらの分野で普及を目指すことはもちろん、これまで価格感から適用が考えられなかった、中小規模インフラの維持管理・生産設備の状態監視・モビリティ・ロボティクス分野において、次世代のエッジ光センサーとして潜在的な市場を開拓できる可能性を秘めています。
今後のビジョン
今後は、光ファイバーセンサーのコア機能の集積回路化・電気電子系の小型化を進めるとともに、次世代の社会課題解決に資するユニークなキーデバイスの量産を目指します。また、小型・安価な集積光ファイバーセンサーによって、これまで考えられなかったユースケースのソリューション開発に取り組みます。
