呼気診断や環境モニタリングに応用可能な光ファイバーガスセンサー
自然科学研究機構 核融合科学研究所
ヘリカル研究部 高温プラズマ物理研究系
助教 上原 日和2022年3月11日
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従来技術とその問題点１【従来の主なガスセンサー】
日本では主流ガス吸着による抵抗値の変化を見る

半導体方式

吸着や反応を介するため、応答速度に難

接触燃焼式
ガス吸着による抵抗値の変化を見る

電気化学式
酸化還元反応による電流の変化を見る

光ファイバーセンサー（赤外式以外）
ガス吸着による感応層の屈折率変化を見る

赤外式 ： 分子の赤外吸収を利用ガスの存在を直接的に観測

欧米ではシェアが増加（日本も今後追従）計測部が変質する
ため短寿命計測可能なガス種が限られる
高速で高感度計測部が変化しない
多くのガス種に対応
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従来技術とその問題点２【一般的な赤外式ガスセンサー】

NDIR（非分散型赤外吸収）方式※アイ・アール・システム社HPより自由空間におけるセンシング

赤外式の光ファイバーセンサー（光ファイバーをセンサー化）

・遠隔性
・局所的なセンシング
・軽量、省スペース・メンテナンス性を付与

一般的な光ファイバー（石英ガラス製）では赤外光を伝送できない・・・
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従来技術とその問題点３
近年、特殊ファイバーでの赤外式の光ファイバーセンサーが実証されている。

【中空光ファイバー】【中空光ファイバー ＋ 全反射（ATR）法】
ATR: attenuated total reflection

中空光ファイバー

内壁に金属コーティング

全反射プリズム※Med. Phys. 47, 5523 (2020).

【カルコゲン化物ガラス光ファイバー】

近接場光※Sensors 18, 995 (2018).

近接場光

利点：～遠赤外まで伝送可能
問題点：
・伝送損失が大きい（ファイバー長くできない）
・曲げ損失が大きい
・多点計測が難しい
4フッ化物ファイバーの特徴
波長2~4 μmではフッ化物ファイバーが最も低損失、曲げ損失 小
伝送損失＜0.05 dB/m ➡ 長さ1 mで99%透過、長さ10 mで90%以上透過（カルコゲナイドファイバー：0.2~1 dB/m）
許容曲げ半径 <10 cm （中空ファイバー： 50 cm程度）

伝送損失の例※ファイバーラボ社HPより※ソーラボ社HPより本研究で実際に使用したZBLANファイバー、フッ化インジウムファイバー（ジルコニウム系）

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新技術の概要
独自開発した広帯域赤外光源を用いたフッ化物赤外光ファイバーセンサーを発明！

フッ化物ガラス製
光ファイバー

新技術②
インライン型・赤外式
フッ化物光ファイバーセンサー※特願2021-069885

ガス

赤外光源
センサー部
※特願2020-208308

新技術①
中赤外・自然放射増幅（ASE）光源

光検出器
ASE: amplified spontaneous emission
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ASE光源：特徴１【ビーム品質】
0.6

100.5

Beam Radius (mm)

パワースペクトル密度 (dBm/μm)【スペクトル特性】

0-10

波長 2.5～3.7 μm

0.40.30.2

M2x= 1.1
M2y= 1.30.1-200.02.22.42.62.83.0

3.2

3.4

3.63.8波長 (μm)

代表的なガス分子の吸収波長H2OSO2CO2 NH3 HCN O3 NO2NO
CH4, C2H4 H2CO

・従来になく広帯域（波長2.5~3.7 μm）
・高出力（~3 mW）

4.0020406080

100

Distance (mm)※発表者ら、Sci. Rep. 11, 5432 (2021).

・高ビーム品質
ファイバー結合可能・高安定（標準偏差<0.1%）7

【装置構成】
半導体レーザー

ASE光源：特徴２
新たに開発したフッ化物ガラス光ファイバー（長さ0.5 m）

波長976 nm

石英ファイバー
クラッド層励起高効率な光結合を実現

中赤外光
波長2.5~3.7 μm

特殊な活性元素2種類を共添加・小型、軽量（スマートフォン大が可）フッ化物
ファイバーセンサー

・低コストで作製可（20万円前後）【従来技術との比較】

silicaZBLAN

100 μm・タングステンランプ：光ファイバー結合できない全ファイバー化できる（特殊ファイバー融着） ・スーパーコンティニウム光源※発表者ら、特願2018-184101※発表者ら、Opt. Lett. 44, 4777 (2019).

：（例）波長1~5 μm、出力1 W：500~1000万円、ビデオデッキ大8フッ化物ファイバーセンサー：特徴１【センサーの構成】
光ファイバー材料：ZBLAN、フッ化インジウム系
近接場光(エバネッセント光)
でセンシング（ATR法と同じ原理）

サイズの例

ガス樹脂被覆（Φ400 μm）
クラッド（Φ200 μm）

赤外光

コア（Φ150 μm）【研磨作業】
クラッド層わずかに残す・側面研磨のみ（融着など不要）
・完全なインライン型のセンサー
・多点計測が容易に

9フッ化物ファイバーセンサー：特徴２【メタンガスセンシングの例】
振動回転モード CH伸縮モード↓※発表者ら、Sens. Actuators B 351, 130904 (2022).

研磨長さ10 mmで、自由空間長さ1.8 mm相当の吸収量！
【現状の感度】
センサー部
赤外分光検出器でのスペクトル測定 ⇒ 長さ10 mmで約1000ppm【改善策】 波長フィルター + 単一チャンネル検出器（高速応答）⇒ 長さ10 mm×10箇所で <1ppmの見積もり

10フッ化物ファイバーセンサー：特徴３【特徴まとめ】
利点

応用形態

・高速応答
・高感度化が可能
・多様なガス種に対応・計測部の変質がない

・リアルタイム計測
・様々な計測対象（後述）・伝送損失が低く、長尺化できる・許容曲げ半径が小さい

・遠隔性が求められる計測・狭小空間への敷設

欠点
・波長5 μm（波数2000 cm-1）まで
低波数側での赤外センシング×・高波数側のみターゲット・中空ファイバーとの差別化
11想定される用途１（工業、家庭）
ガス漏れ検知【計測対象の例】
・排ガスモニタリング

配管

ガス排ガスのモニタリング
フッ化物ファイバー

CO2（波長4.2 μm）
NO2（3.5 μm）
SO2（3.7 μm）・可燃性ガス漏れ検知
CH4（3.2 μm）
C3H8（）

・毒性ガス検知

【場所】

【優位点】

NH3（2.9 μm）
CO（4.7 μm）
HCN（3.1 μm）

・工場施設
・遠隔性が求められるケース
・配管・高い敷設性・住環境
・家庭、ｵﾌｨｽ ・局所的なモニタリング
H2CO（3.5 μm）
CO2（4.2 μm）
H2O（2.8 μm）

12想定される用途２（医療）【呼気分析の形態の概念図】
センサーヘッド

一酸化窒素の場合、<100 ppbの感度が必要

フェイスマスク型など

肺炎、呼吸不全などの診断

フッ化物
ファイバー

光源・検出器【計測対象の例】【優位点】

・肺炎、喘息などの診断

・軽量、可搬、低侵襲・リアルタイム性（呼吸に合わせて）
迅速診断
・多成分計測が可能
・交換部品がない

・健康管理など

NO（波長2.7 μm）
CH4（3.2 μm）
NH3（2.9 μm）
CO2（4.2 μm）
H2O（2.8 μm）
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想定される用途３（農業）【農作物管理の応用の概念図】
収穫プロセス エチレン濃度の個別管理

出荷プロセス【優位点】
・局所的なセンシング➥農作物を個別に管理・可搬性➥収穫の判断・リアルタイム性➥流れ作業での出荷判断➥大量生産【計測対象】
・農作物の成熟度管理
C2H4（波長3.2 μm）
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想定される用途４（理化学研究など）【液体の水のセンシングスペクトル】
センサー部長さ10 mmでも水の吸収が飽和しない
液体の場合、10 μm未満のセル厚さに相当！
試料の濃度調製や薄膜化をせずに、ATR法のような液体・固体の成分分析が容易に光源・検出器

インライン型ファイバーセンサーなので、プリズムのATRよりも計測の自由度が高い！

フッ化物ファイバーセンサー

液体試料
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実用化に向けた課題１【現状のシステム】
FT-IRでのスペクトル測定 ： 計測感度が約1000ppmにとどまっている（センサー部長さ 10 mmの場合）➥感度向上のための開発が必要【改善案】
センサー部の長さで感度のスケーリング可能（0.2倍程度の自由空間長さに相当）
単一波長、単一チャンネル検出器での高感度計測
赤外半導体検出器の小型化・高精度化・低コスト化（～数10万円）が進む

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実用化に向けた課題２【単一波長光源の導入】
分布帰還型（DFB）の量子カスケードレーザー（QCL）
インターバンドカスケードレーザー（ICL）を適用
単一波長光源

MCT
検出器
フッ化物ファイバーセンサー

QCL（4 μm波長帯）

ICL（3 μm波長帯）

市場価格100~数100万円※浜松ホトニクス社HPより※ソーラボ社HPより広帯域光源を使用したセンサーとの差別化が必要

感度ppbレベルの高感度版センサーデバイスが実現可能
17フッ化物ファイバーデバイスの将来性
赤外光技術・デバイスの発展に伴い、フッ化物ファイバーの需要が高まっている
歯科用Er:YAGレーザーの伝送フッ化物ファイバー
中赤外フッ化物ファイバーレーザー※発表者ら, Opt. Lett. 44, 4777 (2019).

※モリタ製作所HPより

今後、更なる高品質化、低コスト化が期待！
国際宇宙ステーションでのZBLANファイバー線引き実験
微小重力環境（左）での高品質なフッ化物ファイバー製造が実証

現在のファイバー価格：1万円～4万円/メートル※ISS National LabのHPより
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今後の展望、企業への期待
学術研究グループで、継続して高感度化を図る予定
フッ化物ファイバーセンシング：学術的価値が高い• ppm感度の低コストシステム• ppb感度のQCL（ICL）搭載システム を実証

なるべく早いフェーズでの産学（官）共同研究を希望• 実用検証• パッケージ化などの開発

多様な応用形態が期待••••

電子機器（センサー）
医療機器
農業関連
理化学機器

赤外光源、光ファイバーセンサー
単体での応用も歓迎します
少しでも可能性をお感じでしたら、ご相談いただきたいです！
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本技術に関する知的財産権
センサー••••

発明の名称：光ファイバーおよびファイバーセンサ
出願番号 ：特願2021-069885
出願人：秋田県立大学、自然科学研究機構
発明者：合谷賢治、上原日和

光源••
•
•

発明の名称
：光ファイバおよびＡＳＥ光源
出願番号 ：特願2020-208308
出願人：自然科学研究機構、秋田県立大学
発明者：上原日和、安原亮、合谷賢治

••
•

発明の名称
：光ファイバーおよび光ファイバーの製造方法
出願番号 ：特願2022-019461
出願人：自然科学研究機構、秋田県立大学、北海道大学、三星ダイヤモンド工業(株)発明者：上原日和、安原亮、合谷賢治、松尾保孝、村上政直、小西大介

耐候化•

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謝辞
本技術は、JST 研究成果最適展開支援プログラム（A-STEP）
令和3年度・産学共同（育成型）によって開発されたものである。
課題名「呼気成分リアルタイムモニタリングのための中赤外プラズモン光ファイバーセンサーの開発」【研究メンバー】

上原日和
核融合科学研究所

合谷賢治
秋田県立大学西島喜明
横浜国立大学21

お問い合わせ先
自然科学研究機構 事務局企画連携課
ＴＥＬ ０３－５４２５－１３１６
ＦＡＸ ０３－５４２５－２０４９
e-mail nins-sangaku＠nins.jp

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