希土類共添加フッ化物ガラスを用いた
中赤外ファイバー光源の開発とセンサー応用
日本板硝子材料工学助成会 成果報告会
令和6年1月25日

自然科学研究機構 核融合科学研究所
准教授

上原日和

発表者の研究経歴 (1)■ ~平成23年度 東工大 無機材料・ガラス研究室（博士課程）
高屈折率ガラスと有機・無機ハイブリッド材料を使った微小光学素子の研究

ガラスを使った光デバイスの研究
微小球共振器ラマンレーザー →

10μm

10μm

■ 平成24~27年度 北大 電子研・三澤研究室（ポスドク）
gap: 2 nm

局在プラズモンを使った光化学反応場の研究

goldalumina
goldsilica半導体微細加工、光計測、光化学の研究

100 nm高効率反応場のための金属ナノ構造体 ↑■ 平成28~30年度 阪大 レーザー研・ﾊﾟﾜｰﾚｰｻﾞｰ研究室（ポスドク）
高出力な新規波長帯レーザー光源の開発

固体・ファイバーレーザー装置の研究
中赤外フッ化物ファイバーレーザー →発表者の研究経歴 (2)■ 令和元~現在 核融合研・高温プラズマ系
レーザーを使ったプラズマ計測（大型ヘリカル装置実験）

核融合プラズマ計測の研究「核融合発電へプラズマ変化を毎秒2万回捕捉する温度計、核融合研などが開発した意義」（日刊工業新聞2022年10月6日）

高出力な新規波長帯固体レーザー光源の研究

固体レーザー装置の研究、その他の研究
小型で低コストな中赤外固体レーザー →全国の産・学・官機関との共同研究に基づいた、多彩な研究を推進している

日本板硝子財団のご支援で産まれた研究成果について紹介

所属機関・核融合科学研究所の紹介＜自然科学研究機構＞
・国立天文台・核融合科学研究所（NIFS） 総合研究大学院大学を併設・併任
・基礎生物学研究所
・生理学研究所
NIFS・分子科学研究所（岐阜県土岐市）★
OsakaNagoya

Tokyo

見学コースあり

大型ヘリカル装置LHDの外観↑と内部→

核融合エネルギー実現のため、高温プラズマの閉じ込め実験を推進

本研究の概要◼ 特殊な光ファイバーを使った優位性の高い赤外式のガスセンサーを新たに開発した◼ 開発したセンサーは、光源部（広帯域中赤外ASE光源）とセンサー部からなり、主に光源部を本研究助成で開発【本発表のアウトライン】• 赤外光ファイバーセンサー研究の背景• センシング用光源研究の背景• 中赤外ASE光源開発の詳細• 赤外光ファイバーセンサーの実証と特徴• 想定される応用• まとめ

従来のガスセンサーと問題点【従来の主なガスセンサー】◼ 半導体方式

日本では主流ガス吸着による抵抗値の変化を見る◼ 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）

吸着や反応を介するため、応答速度に難計測部が変質する
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

赤外式センサーの方式【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・・・

赤外式光ファイバーセンサーの報告例
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

近接場光

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】※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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
赤外センサーにはフッ化物ファイバー使うのがよさそう※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）

研究のコンセプト
中赤外センシング↓ 中赤外波長域には多くの分子の共鳴線が存在する

・環境モニター・ガス漏れ検知・危険物検知・匂いセンサー・分子構造解析・同位体計測・血液検査
・呼気診断※http://www.photonics.com/

光ファイバーセンサー
小型・高感度・遠隔性に優れ、発展が期待される・広帯域（or波長可変）・高輝度・高安定・高ビーム品質
・小型で安価安価

試料

中空ファイバーや赤外
まず、使えそうな光源がないのでフッ化物ファイバー
吸収
広帯域な中赤外光源を独自開発する

中赤外光源

検出器

ASE光源とは自然放射増幅光（amplified spontaneous emission）※図はファイバーラボ社HPより拝借

希土類金属イオンなどの広帯域な自然放出光が誘導放出によって増幅されたもの。
光共振器による波長選択機構が無い。

ASE光源の特徴
・広帯域（低コヒーレンス）
・高輝度、高安定・高いビーム品質

・光通信波長帯（1.5~1.6 μm, 1.3 μm）
・可視～1.0 μm帯がほとんど

中赤外のASE光源ができたら、よさそう・ツリウムファイバーを使った2 μm帯が上市。

中赤外域（特に>3 μm）のASE光源は希少！
※ソーラボの波長2 μmのASE光源、価格100万円

ジスプロシウム（Dy3+）レーザーについて
本研究で着目するDy系レーザーの波長Er

既存の固体レーザーTm,Ho

空ZBLANホストガラス
白 Er

Erの波
長Cr

計測に必要な波長2Fe

水同位体 炭化水素

3

ジスプロシウムは、空白の波長域（3.0~3.3 μm）をカバー

LD励起不可低温で動作

炭酸ガス

4➥次世代の中赤外レーザーとして期待➥広帯域なASE光源としても有望！

5波長（μm）

Dyレーザー媒質の開発の例（著者ら）
7Cross section (10-21 cm2)

Dyレーザーでのアンモニアセンシングの例

63 at.% Dy:CaF2 ceramics

5emission

43absorption

2

ジスプロシウムを活性元素にするのがよさそう
102200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600
Wavelength (nm)※ Jackson et al., APL Photon. 4, 020801 (2019).

※ Dy:CaF2の開発：Uehara et al., OSA Continuum 3, 1811 (2020).
※ Dy:Y2O3の開発：Yasuhara, Uehara et al., Opt. Mater. Express 10,2998 (2020).

Dyファイバーレーザーの課題点
Dyフッ化物ファイバーレーザーの例

・安価な高出力LDで励起できない
励起波長2.8 μm（1.7 μm, 1.3 μm, 1.1 μm）
・励起光源が低出力で不安定・コア励起が必須（ダブルクラッドファイバー使用不可）

・システムが複雑で高コスト・汎用的な半導体レーザー（LD）で励起できないのがジスプロシウム系の問題
100 μm
高難度な・LD励起をできるようにする←本助成研究のメインテーマ
コアtoコア結合技術 ZBLAN ZBLAN-EDF※Fortin et al., Opt. Lett. 44, 491 (2019).

小型化・低コスト化のためには、LD励起が望ましい※Uehara et al., Opt. Lett. 44, 4777 (2019).

本助成研究の目的
エルビウム→ジスプロシウム
エネルギー移動エネルギー移動：
近接した活性元素間でエネルギーをやり取り

976 nm GSA

CR??

3 μm

レーザー材料から新たに開発して、センシング光源をつくる
Er→Dyエネルギー移動を利用することで、希土類を共添加 (2種類一緒に入れる)
976 nmしたフッ化物ガラスで調査
LD励起のDyレーザー（ASE光源）
Dy3+ができないか？
Er3+※J. Wang et al., Opt. Express 28, 5189 (2020).

LD励起の広帯域な中赤外ASE光源を実証する➢ Er/Dy共添加フッ化物（ZBLAN）ファイバーを用いるいろんな添加濃度（10種類くらい）新しいガラス材料の開発
板硝子財団のご支援で作製 ↓Er/Dy共添加ZBLANガラス(バルク体)を波長976 nmで励起
Dy1%

ファイバーラボ㈱(b)

Er0%, Dy5%
Er1%, Dy1%
Er3%, Dy1%
Er5%, Dy1%

Er1% fixed
Er→DyのETでDyが光ってる
Dy単独ドープだと光らない

Dy1% fixed(a)Er0%, Dy5%
Er1%, Dy1%
Er1%, Dy3%
Er1%, Dy5%

Intensity (arb.unit)

Intensity (arb.unit)

蛍光スペクトル Er1%・フッ化物のレーザー材料を最適化できたDyが増えても蛍光増えない・Dyが976 nmの汎用LDで効率よく励起できるようになった
Er増加に比例して蛍光増加

2400

2600

2400
2800 ➥ドナー(Er)が1%では不足
3000
3200
3400
Dy5%

Er3%

2600

Normalized
Intensity

Normalized
Intensity

2400

2800

3000

3200

Wavelength (nm)

3400

2400

2600

2800
3000
3200
3400
Er3~5%で飽和傾向
Dy5%

Er3%

2600

2800

3000

3200

3400

Wavelength (nm)Er5%, Dy1%：ファイバー線引きで結晶化（失透）のリスク、濃度消光も懸念。

Er3%, Dy1%のZBLANガラスで光ファイバー作製

ファイバーASE光源の構築
Er3%, Dy1%共添加ZBLANファイバー
ダブルクラッドファイバー
コア： 15 μm

ファイバーラボ㈱（シングルモード、カットオフ波長3.2μm）←板硝子財団のご支援でファイバー作製第一クラッド：  200 μm

励起光吸収係数：2.0 dB/m

ASE光源の光学系

Er/Dy co-doped
ZBLAN fiberLD
λ=976 nmASE
silica fiber
core:  105 μm

pump(1st cladding)

極めてシンプルでコンパクトな光学系

ASEスペクトル（ファイバー長さ依存）
励起パワー：5 W（十分に強い）

Normalized Intensity(a)

L= 0.5 m
L= 1.1 m
L= 4.1 m

GSA

Launched pump: 4.7 W

2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800 4000
Wavelength (nm)

ファイバーが長いと、長波長側が出力しなくなる：ファイバー全域が反転分布にならず、再吸収の影響を受けるため長さ0.5 mで評価を行ったファイバー長さを最適化
短いほど特性良く、小型化に寄与

ASE光源の出力特性(1)ASEスペクトル

入出力特性

Normalizedspectra
L= 0.5 m

L= 0.5 m3.0

Output Power (mW)(a.u.)
Intensity Intensity
Normalized

Pump power
pumppower
5.2 W
lasingの兆候？
3.0 W（この条件では安定）
1.0 W
0.29 W

L= 0.5 m

2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.002200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800 4000

Er由来のASE

12345

Pump Power (W)Wavelength (nm)Dy由来のASE
波長3.0~3.2 μmで高利得波長2.5~3.7 μmに亘る広帯域なASE

ASE出力は~3 mW6ASE光源の出力特性(2)M2
0.6

Pump power
5.2 W
0.29 W

100-10λ= 2515~3735 nm-200.5Beam Radius (mm)Power Spectral Density (dBm/μm)

パワースペクトル

0.40.30.2

M2x= 1.1
M2y= 1.3

0.10.02200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800 4000

020406080100Distance (mm)Wavelength (nm)

波長2.5~3.7 μmに亘る広帯域なASE

M2= 1.1~1.3
高効率なファイバー結合可能・極めて広帯域（波長2.5~3.7 μm）
ASE光源を・高輝度、高ビーム品質、高安定
小型かつ安価な構成で実現！！

Power Spectral Density (dBm/μm)

ガスセンシングの可能性
ASE光源のスペクトル100

ファイバーセンサー応用が期待-10

l= 2.5～3.7 μm

-20

2.2

2.4

2.6

2.8

3.0

3.2

3.4

3.6

3.8

4.0

Wavelength (μm)

センシング用光源として有望！

H2O
SO2
CO2 NH3 HCN O3 NO2NOCH4H2CO

呼気診断（肺炎etc）

環境モニター（危険物、規制ガスetc）

フッ化物ファイバーを使ったセンサーの提案作った光源の応用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

ASE光源の特徴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= 1.30.1-200.02.2

2.42.62.83.03.23.43.63.8

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

100Distance (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%）

ASE光源の特徴２【装置構成】

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）

半導体レーザー
波長976 nm

中赤外光
波長2.5~3.7 μm

石英ファイバー
クラッド層励起

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）silicaZBLAN

100 μmZBLAN ZBLAN-EDF
200 μm

高効率な光結合を実現

100 μm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】
・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フッ化物ファイバーセンサーの特徴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】
レーザー距離計

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
・多点計測が容易に研磨部

フッ化物ファイバーセンサーの特徴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

フッ化物ファイバーセンサーの特徴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

想定される用途１
ガス漏れ検知【計測対象の例】
・排ガスモニタリング

配管

CO2（波長4.2 μm）
NO2（3.5 μm）
SO2（3.7 μm）

ガス

排ガスのモニタリング
フッ化物ファイバー

・可燃性ガス漏れ検知
CH4（3.2 μm）
C3H8（3.4 μm）

・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）

想定される用途２【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）

想定される用途３【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）

想定される用途４【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

フッ化物ファイバー
センサー

実用化にはいろいろ改善の余地があるが、インライン型ファイバーセンサーなので、いろんな用途での応用が期待できるプリズムのATRよりも計測の自由度が高い！
液体試料

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

フッ化物ガラスを使ったデバイスがこれからどんどん登場すると予想
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

まとめ◼ 希土類を共添加したフッ化物ガラスを材料から開発し、ファイバー化して、広帯域な中赤外ASE光源を実現した◼ 開発した光源を使った赤外式のフッ化物光ファイバーセンサーを初めて実証した◼ このセンサーデバイスは、さまざまな用途での実用化が期待される◼ フッ化物ガラス光ファイバーを使ったデバイスの社会実装が増えると予想

謝辞
本研究は、令和2年度日本板硝子材料工学助成会の助成を受け実施されたものであり、ここに謝意を表します。
本研究に関連したその他の助成金• JST A-STEP R3年度・産学共同（育成型）• NEDO 若サポ R4年度・マッチングフェーズ• 科研費 基盤C 20K05374• NINS 産学連携支援事業 R2, R3年度
• 池谷科学技術振興財団 R3年度
• 田中貴金属記念財団 R4年度
ほか

・秋田県立大学
・横浜国立大学
本研究に関連した共同研究者

合谷賢治 助教
西島喜明 准教授

・ファイバーラボ株式会社 小川 和彦様
・京都大学
田部勢津久 教授
・東京工業大学
岸哲生 准教授
・京都大学
時田茂樹 教授
ほか

お問い合わせ

詳しくは…
「自然科学研究機構 研究シーズ集」をご覧ください。
https://innovation.nins.jp/seeds/

お問い合わせください
uehara.hiyori@nifs.ac.jp

クラウドファンディングの宣伝

クラウドファンディング始めました！
https://www.nifs.ac.jp/kikin/menu-projects.html

uehara.hiyori@nifs.ac.jp

文科省寄附ポータルサイトに掲載
https://www.mext.go.jp/donation_portal-site.html