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研究概要

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。従来の電気センサーは、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、光ファイバー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。そこで、水野研究室では、このような「スマートストラクチャー」を実現するための光ファイバーセンシング技術およびその関連技術について研究しています。中でも、最近特に注力しているのは、(1)「分布型光ファイバーセンサー」と(2)「相関領域ライダー」です。

アドバンテージ

(1) 長い光ファイバー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ーを「分布型光ファイバーセンサー」と呼びます。我々は光ファイバー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、光ファイバー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（特許取得済）。近年の性能向上は著しく、世界最高の空間分解能と動作速度を兼ね揃える、世界屈指の技術に成長しました。プラスチック光ファイバーを用いた分布測定にも成功しています。

(2) 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の様々な分野で需要が高まっていますが、従来法では長距離の測距と振動検出能力の両立は困難でした。我々は、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「相関領域ライダー」を開発しました。これまでに、100 kHzの高速振動の測定に成功しています。今後、機械類の異常検知や生体信号の非接触センシング、流速分布の可視化に向けて研究開発を推進していきます。

事例紹介

今後、研究成果をもとに創出できる可能性のある製品として、「ブリルアン光相関領域反射計（光ファイバー型高速ひずみ・温度分布計測システム）」「相関領域ライダー（長距離測距および高速振動検出システム）」「光相関領域反射計（光ファイバー型高速反射率分布測定システム）」「プラスチック光ファイバーの塑性変形を活かした『記憶』をもつひずみセンサー」「プラスチック光ファイバー・ブラッグ・グレーティングによる巨大ひずみセンサーおよびひずみと温度の同時分離センサー」「プラスチック光ファイバーヒューズ現象を活かした高感度電磁界センサー」などが挙げられます。

主な所属学会

応用物理学会 / 電子情報通信学会 / 米国電気電子学会（IEEE）

主な論文

『Distributed polymer optical fiber sensors: a review and outlook』「Photonics Research 9, 1719-1733 2021
『Pilot demonstration of correlation-domain LiDAR for high-speed vibration detection』「APL Photonics 6, 101302」2021
『Ultrahigh-speed distributed Brillouin reflectometry』「Light: Science & Applications 5, e16184」2016

主な特許

特許第5105302号「光ファイバ特性測定装置及び光ファイバ特性測定方法」

主な著書

「Handbook of Optical Fibers」第9章「Distributed Optical Fiber Sensing」Springer 2019（編集）
「Opto-Mechanical Fiber Optic Sensors: Research, Technology, and Applications in Mechanical Sensing」第5章「Distributed Brillouin Sensing Using Polymer Optical Fibers」Elsevier 2018

主な研究機器・設備

光スペクトラムアナライザー
スーパーコンティニューム光源
光ファイバー融着接続機