赤外域ファイバーオプティクス：要素技術開発および惑星探査機・着陸機等搭載用小型分光器への応用検討
Broadband mid-IR fiber optics instruments for solar system exploration missions（地球電磁気・地球惑星圏学会推薦）

代表研究者

東北大学

中川 広務

Tohoku University

Hiromu NAKAGAWA

協同研究者

東北大学

笠羽 康正

Tohoku University

Yasumasa KASABA

富山大学

片桐 崇史

Toyama University

Takashi KATAGIRI

東北大学

松浦 裕司

Tohoku University

Yuji MATSUURA

名古屋大学

平原 靖大

Nagoya University

Yasuhiro HIRAHARA

We present a concept and laboratory demonstration of instruments based on ‘broadband mid-infrared (IR) hollowoptical fiber technology’ for the explorations of our solar system. The hollow-fiber techniques developed by Tohoku

University provide sufficiently low loss transmission with 0.5 dB/m at 10 micron. In this paper, we demonstrate thefeasibility studies for (1) the improvement of optical output in metal hollow-optical fibers for mid-IR light, (2)rectangular hollow waveguide branching device with multi-mode interferences for mid-IR, and (3) mid-IR
heterodyne spectroscopic technique by using the hollow-optical fibers. For (1), our simulations confirmed theconcept and design of the loss reduction in lower temperature environment. In 77 K, the numerical results showedthat metal hollow-optical fiber remarkably improved the optical output up to 2.8 dB/m. We also manufactured a labscale prototype model and confirmed the improvement of the output. For (2), our waveguide branching device
successfully achieved a clear beam pattern divided into two or three maxima at 7.0 and 10.6 micron in a distance of
20-25 cm, as predicted by the numerical simulation.

研究目的資する狙いである。本研究では、(1)ファイバー光路

本研究は、急激に進歩しつつあるファイバー技術結合・分割技術および真空技術等の要素開発、(2)フを基礎とした中間赤外線ファイバーオプティクスのァイバー技術を援用する小型・高安定の宇宙機搭載要素技術を開発・評価し、またこれを援用した惑星赤外分光器の基礎検討について成果を報告する。

探査を目指す次世代中間赤外ファイバー分光器群の基礎検討を行うことを目的としたものである。
このファイバーは東北大・富山大チームが開発成功した中間赤外用中空ファイバーであり、チューブ内側面を銀コーティングして赤外光を反射伝送させ研究経過

ファイバーの直接結合による光路結合・分割技術の実現に向け、矩形中空導波路内における多モード干渉を利用した光分岐デバイスを提案し，その製作，ることで高効率伝送（0.5 dB/m 以下）を達成してい評価を行った。このデバイスは、入力ファイバ径のる。芯材の透過特性に依存せず赤外光に留まらず幅２倍の幅をもつ矩形導波路の中央部にファイバを結広い波長にも適用可能であることが特徴であり、医合することで、導波路内に多モードを励振し，その工学分野へ応用されつつあるものを将来惑星探査へモード間干渉で分岐を行うものである。入射波長

10.6μm に対する出射光ニアフィールドパターンを得ることができ、シミュレーション予測通りに導波路長により 3 分岐・2 分岐していく様子が実証された（図 1）。また、入射波長 7.0μm に対するものと比較することで、光の波長によってパワー分布が大きく変化することが確認できた。

図 2. 界分布と結合効率（加藤他）

15065 2 1 -02 55 = 1 -066f.606 5050 1 -0 .

500

図 3. ファイバカップラ試作機セットアップ（片桐他）
また、常温および真空用レンズホルダの設計・開発を行い、これを用いたファイバーの性能評価光学系の構築を進めた。複数ファイバ間を接続する低損失の「カップリング法」を確立し、長光路への適用
図 1. ファイバ光路分割試験（生田目他）

可能性の拡大とより柔軟な光路設計を可能とした。
具体的には、ファイバー内に物質が詰まっていない

一方、中空ファイバを加工した合分光ファイバカ

中空ファイバーの端面へ直径 2mm の AR コート Ge 窓

プラを提案した。提案するファイバカプラは、2 本のを接着した SMA コネクタを装着し、「赤外透過窓材」金属内装中空光ファイバの側面を研磨し、研磨したによる蓋で大気圧を遮断する構造とした。これによ面を張り合わせることにより作製する。カプラを設り、「SMA コネクタ同士の結合」という光軸間の安定計するにあたり、カプラに光を入射した時の電界分性が保たれる方法でのファイバー連結が可能となり、布をビーム伝搬法シミュレーションソフトウェア
Rsoft Beam PROP を用いて解析したところ、一方のまたファイバー端面での真空保持も安定して可能となった。これらを用いて、ファイバー特性の改善検討にも着手した。具体には、10-2 Pa に真空減圧ののファイバから他方のファイバに安定したモードが移

ち液体窒素を流入して 77K に冷却できる試験システ

行し、約 10mm の結合長において 95%の結合効率が得ムを構築したことで、冷却によって透過率は約 10%られることから（図 2）、実用的なカプラが実現でき程度改善がみられた（図 4）。この結果は銀(Ag)薄膜る見通しを得ることができた。現在構築中の試作機の低温電気伝導度、および中空ファイバー内の光伝セットアップ外観図を図 3 に示す。

搬に関するドルーデモデルと整合的（図 5）で、この手法の有効性を確認することができた。

黒体炉

レーザ
中空ファイバ

中空ファイバビームスプリッタ

検出器

図 4. 真空冷却測定結果（Ito et al., 2019）

図 6. 中空ファイバを用いたレーザヘテロダイン光学系。

研究の発表

口頭発表
・ 加藤 仁教， 松浦 祐司，片桐 崇史、"中赤外レーザー用研磨型中空光ファイバカプラ"、レーザー学会学術講演会第 40 回年次大会, 仙台、2020
年 1 月.
・ 生田目浩至，松浦祐司、"中赤外域で機能する矩形中空導波路多モード干渉型分岐素子"、レーザ
図 5. Ag 内装中空ファイバ温度依存特性（Ito et al.,2019）

ー学会学術講演会第 40 回年次大会, 仙台、2020
年 1 月.
・ Nakagawa, H., Y. Kasaba, Y. Hirahara, Y.

また、宇宙搭載赤外分光器（レーザー分光、レーMatsuura, T. Katagiri, R. Ito, Y. Yokoyama,

ザーヘテロダイン分光）への援用検討を開始した。

K. Namatame, I. Murata, S. Tsukada, K.

上述したファイバカップラを応用したヘテロダイン

Takami,混合の前段階として、ファイバを経由した光導入にfiber optics instruments for solar system

よるビームスプリッタヘテロダイン混合強度の評価

exploration

試験を進めた。内側面への光入射角が大きいと伝送

Symposium, ISAS/JAAXA, 2020 年 1 月.

損失が増大するため、入射角度と曲げ半径に制約がA.

Yamazaki,"Broadbandmissions",Space

mid-IRScience・ Ito, R., Y. Hirahara, Y. Matsuura, K. Takami,ある。想定する光学系を構築し（図 6）、ヘテロダイH.

Nakagawa,

ン信号受信に成功している。現在は、入射・透過効"Transmittance measurement of mid-infrared

率や出射ビーム形状を実測して、具体的な光路設計

Hollow core fiber at cryogenic temperature",の基礎となる評価条件・最適化に資する基礎データ

Societyを取得しつつある。今夏秋の火星大接近に合わせた

Planetary and Space Sciences: 2019 fall

ハワイでの火星試験観測に向けて、上記のファイバ

meeting, Kumamoto, 2019 年 10 月.

of

光学技術を援用して著しい小型化・高効率化・高安定化を目指す。

誌上発表（なし）Y.

Kasaba,GeomagnetismA.

Yamazaki,and.

Earth,