光ファイバーセンシング用レーザー光源技術　パート1

レーザー光源技術光ファイバー感知パート1

光ファイバーセンシング技術は、光ファイバー技術および光ファイバー通信技術とともに発展したセンシング技術の一種であり、光電技術の中でも最も活発な分野の一つとなっています。光ファイバーセンシングシステムは、主にレーザー、伝送ファイバー、センシング素子または変調領域、光検出器などで構成されています。光波の特性を表すパラメータには、強度、波長、位相、偏光状態などがあります。これらのパラメータは、光ファイバー伝送における外部要因の影響によって変化する可能性があります。例えば、温度、歪み、圧力、電流、変位、振動、回転、曲げ、化学量などが光路に影響を与えると、これらのパラメータもそれに応じて変化します。光ファイバーセンシングは、これらのパラメータと外部要因との関係に基づいて、対応する物理量を検出する技術です。

種類は多岐にわたりますレーザー光源光ファイバーセンシングシステムで使用されるもので、コヒーレントの2つのカテゴリに分類できます。レーザー光源非干渉性光源、非干渉性光源主に白熱灯や発光ダイオードが含まれ、コヒーレント光源には固体レーザー、液体レーザー、ガスレーザーなどが含まれる。半導体レーザーそしてファイバーレーザー以下は主にレーザー光源近年、光ファイバーセンシングの分野で広く使用されているものとして、狭線幅単一周波数レーザー、単一波長掃引周波数レーザー、白色レーザーなどが挙げられる。

1.1 狭線幅の要件レーザー光源

光ファイバーセンシングシステムは、測定対象信号の搬送光波であるレーザー光源と切り離すことはできません。レーザー光源自体の性能、例えば出力安定性、レーザー線幅、位相ノイズなどのパラメータは、光ファイバーセンシングシステムの検出距離、検出精度、感度、ノイズ特性に決定的な役割を果たします。近年、長距離超高解像度光ファイバーセンシングシステムの開発に伴い、学術界と産業界はレーザーの線幅性能に対するより厳しい要求を掲げており、主に以下の技術が挙げられます。光周波数領域反射（OFDR）技術は、コヒーレント検出技術を用いて光ファイバーのバックレイリー散乱信号を周波数領域で解析し、広範囲（数千メートル）をカバーします。高解像度（ミリメートルレベルの解像度）と高感度（最大-100 dBm）という利点から、分散型光ファイバー測定およびセンシング技術において幅広い応用が見込まれる技術の一つとなっています。OFDR技術の中核は、波長可変光源を用いて光周波数の調整を実現することであり、そのためレーザー光源の性能がOFDRの検出範囲、感度、解像度などの重要な要素を決定します。反射点距離がコヒーレンス長に近い場合、ビート信号の強度は係数 τ/τc によって指数関数的に減衰します。スペクトル形状のガウス光源の場合、ビート周波数の可視性が 90% 以上になるようにするには、光源の線幅とシステムが達成できる最大センシング長との関係は Lmax~0.04vg/f であり、これは長さ 80 km のファイバーの場合、光源の線幅が 100 Hz 未満であることを意味します。さらに、他のアプリケーションの開発により、光源の線幅に対する要求も高くなっています。たとえば、光ファイバーハイドロホンシステムでは、光源の線幅がシステムノイズを決定し、システムの最小測定可能信号も決定します。ブリルアン光時間領域反射器 (BOTDR) では、温度と応力の測定分解能は主に光源の線幅によって決まります。共振器型光ファイバージャイロでは、光源の線幅を狭めることで光波のコヒーレンス長を長くすることができ、それによって共振器の精度と共振深度を向上させ、共振器の線幅を狭め、光ファイバージャイロの測定精度を確保することができる。

1.2 スイープレーザー光源の要件

単一波長掃引レーザーは、柔軟な波長調整性能を持ち、複数の出力固定波長レーザーを置き換えることができ、システム構築コストを削減できるため、光ファイバーセンシングシステムに不可欠な部分です。たとえば、微量ガスファイバーセンシングでは、異なる種類のガスは異なるガス吸収ピークを持ちます。測定ガスが十分な場合に光吸収効率を確保し、より高い測定感度を達成するには、透過光源の波長をガス分子の吸収ピークに合わせる必要があります。検出できるガスの種類は、基本的にセンシング光源の波長によって決まります。したがって、このようなセンシングシステムでは、安定した広帯域調整性能を持つ狭線幅レーザーの方が測定の柔軟性が高くなります。たとえば、光周波数領域反射に基づく一部の分散型光ファイバーセンシングシステムでは、光信号の高精度コヒーレント検出と復調を実現するためにレーザーを周期的に高速掃引する必要があるため、レーザー光源の変調速度には比較的高い要求があり、調整可能なレーザーの掃引速度は通常10 pm/μsに達する必要があります。さらに、波長可変狭線幅レーザーは、LiDAR、レーザーリモートセンシング、高解像度スペクトル分析などのセンシング分野でも幅広く使用できます。ファイバーセンシング分野における単一波長レーザーのチューニング帯域幅、チューニング精度、チューニング速度といった高性能パラメータの要求を満たすために、近年の波長可変狭線幅ファイバーレーザーの研究の全体的な目標は、超狭線幅レーザー、超低位相ノイズ、超安定出力周波数と出力パワーを追求した上で、より広い波長範囲で高精度チューニングを実現することです。

1.3 白色レーザー光源の需要

光センシングの分野では、システムの性能向上に高品質の白色光レーザーが非常に重要です。白色光レーザーのスペクトル範囲が広いほど、光ファイバーセンシングシステムにおけるその応用範囲は広がります。例えば、ファイバーブラッググレーティング（FBG）を使用してセンサーネットワークを構築する場合、復調にはスペクトル分析またはチューナブルフィルタマッチング法を使用できます。前者は分光器を使用してネットワーク内の各FBG共振波長を直接テストします。後者は参照フィルタを使用してセンシング内のFBGを追跡および校正しますが、どちらの場合もFBGのテスト光源として広帯域光源が必要です。各FBGアクセスネットワークには一定の挿入損失があり、帯域幅が0.1 nm以上であるため、複数のFBGを同時に復調するには、高出力かつ広帯域幅の広帯域光源が必要です。例えば、センシングに長周期ファイバーグレーティング（LPFG）を用いる場合、単一損失ピークの帯域幅は10 nm程度であるため、共振ピーク特性を正確に評価するには、十分な帯域幅と比較的平坦なスペクトルを持つ広帯域光源が必要となる。特に、音響光学効果を利用して構築された音響ファイバーグレーティング（AIFG）は、電気的チューニングによって共振波長のチューニング範囲を最大1000 nmまで実現できる。そのため、このような超広帯域チューニング範囲を持つ動的グレーティング試験は、広帯域光源の帯域幅範囲に大きな課題を突きつける。同様に、近年では、傾斜ブラッグファイバーグレーティングもファイバーセンシングの分野で広く用いられている。多峰性損失スペクトル特性を持つため、波長分布範囲は通常40 nmに達する。そのセンシング機構は通常、複数の透過ピーク間の相対的な動きを比較することであるため、透過スペクトルを完全に測定する必要がある。広帯域光源には、より高い帯域幅と出力が求められる。

2. 国内外における研究状況

2.1 狭線幅レーザー光源

2.1.1 狭線幅半導体分布帰還レーザー

2006年、Clicheらは半導体のMHzスケールを縮小した。DFBレーザー（分布帰還レーザー）電気フィードバック方式を使用してkHzスケールまで。2011年、Kesslerらは、低温高安定性単結晶共振器とアクティブフィードバック制御を組み合わせて、40MHzの超狭線幅レーザー出力を得た。2013年、Pengらは、外部Fabry-Perot（FP）フィードバック調整方式を使用して、線幅15kHzの半導体レーザー出力を得た。電気フィードバック方式は、主にPond-Drever-Hall周波数安定化フィードバックを使用して、光源のレーザー線幅を縮小した。2010年、Bernhardiらは、酸化シリコン基板上に1cmのエルビウム添加アルミナFBGを作製し、線幅約1.7kHzのレーザー出力を得た。同年、Liangらは、図1に示すように、半導体レーザーの線幅圧縮のために、高Qエコーウォール共振器によって形成される後方レイリー散乱の自己注入フィードバックを使用し、最終的に160Hzの狭線幅レーザー出力を得た。

図1（a）外部ウィスパリングギャラリーモード共振器の自己注入レイリー散乱に基づく半導体レーザー線幅圧縮の図。
（b）線幅8MHzの自由発振半導体レーザーの周波数スペクトル
（c）線幅を160Hzに圧縮したレーザーの周波数スペクトル
2.1.2 狭線幅ファイバーレーザー

線形共振器ファイバーレーザーの場合、単一縦モードの狭線幅レーザー出力は、共振器の長さを短くし、縦モード間隔を長くすることによって得られます。2004年、Spiegelbergらは、DBR短共振器法を用いて、線幅2kHzの単一縦モード狭線幅レーザー出力を得ました。2007年、Shenらは、2cmの高濃度エルビウム添加シリコンファイバーを用いてBi-Ge共添加感光ファイバー上にFBGを書き込み、それを活性ファイバーと融着させてコンパクトな線形共振器を形成し、レーザー出力の線幅を1kHz未満にしました。2010年、Yangらは、2cmの高濃度添加短線形共振器と狭帯域FBGフィルタを組み合わせて、線幅2kHz未満の単一縦モードレーザー出力を得ました。 2014年、研究チームは、図3に示すように、FBG-FPフィルタと組み合わせた短い線形キャビティ（仮想折り畳みリング共振器）を使用して、より狭い線幅のレーザー出力を得ました。2012年、Caiらは、1.4cmの短いキャビティ構造を使用して、出力が114mW以上、中心波長が1540.3nm、線幅が4.1kHzの偏光レーザー出力を得ました。2013年、Mengらは、フルバイアス保持デバイスの短いリングキャビティとエルビウム添加ファイバーのブリルアン散乱を使用して、出力が10mWの単一縦モード、低位相ノイズのレーザー出力を得ました。2015年、研究チームは、ブリルアン散乱利得媒体として45cmのエルビウム添加ファイバーで構成されたリングキャビティを使用して、低閾値で狭い線幅のレーザー出力を得ました。

図2（a）SLCファイバーレーザーの概略図。
（b）97.6 kmの光ファイバー遅延で測定したヘテロダイン信号の線形形状