２光子吸収を用いた距離変位計測および光ファイバ給電センサ国立大学法人東京農工大学大学院共生科学技術研究院先端電気電子部門講師教授田中洋介黒川隆志 1 内容 1) 2光子吸収を用いた距離変位計測 ------Si フォトダイオード1個で高精度計測 2) 光ファイバ給電センサ ------光センサの耐雑音性と電気センサの多様性を融合、低電力で汎用性の高いセンサ網 2 1) 2光子吸収を用いた距離変位計測研究背景 ☆研究分野レーザ測距---光波の位相、パルスの伝搬時間から距離、変位を計測する技術 ☆提案する距離変位計測の研究を手がける理由簡素な構成で高精度な距離変位計測を実現するため。具体的には、～100m遠方の距離変位をサブ mmの高精度で計測可能な変位計 3 技術内容二光子吸収を利用した距離変位計測装置強度変調光測定ターゲットレーザ（近赤外）反射点 ①二光子吸収応答 hν hν 赤外光 i ∝ P2 強度相関 ②変調周波数掃引 Si-APD ③反射点ΔLの算出（フーリエ変換）光電流（強度相関）変調信号νm c (ΔL = 距離) 2nΔL 変調周波数 νm 4 検証実験レーザ λ1 λ2 10 km 光ファイバ ~6m 反射点デジボル光増幅器 Si-APD PC スペクトル強度 [a.u.] 光ファイバを用いた長距離反射点計測 2000 約6m 1000 0 10.15 10.20 10.25 ファイバ長差 [km] 10.30 10km遠方で6mの距離差を確認 5 空間距離計測実験室内では、10m遠方の空間距離変位を10-5 オーダーの精度で検出今までの実験から、100m遠方の距離変位でも計測可能（実験施設が現在ない。） 6 従来技術と問題点既に実用化されている距離変位測定装置として、「トータルステーション」が各社で販売されている。しかし、光源となるパルスレーザのジッター強度相関測定部が高価で複雑等の問題から、高精度の製品は非常に高価なものとなっている。 7 新技術の特徴・従来技術との比較 • 従来技術では、距離変位測定の心臓部となる強度相関器に高価で複雑な高周波回路が必要。パルスレーザのジッターも問題。 • 本技術では、強度相関器として受光素子の二光子吸収を利用することで、測定精度を下げることなく、システムの簡素化、小型化、コストの低減が可能。CW光を用いるのでジッターの問題もない。 8 想定される用途変位測定装置反射鏡パイプラインや鉄道のレール反射鏡変位測定装置パイプライン、レール等の歪み監視トンネルの歪み検知様々な構造物の歪み検知の他、地殻変動の監視などの応用が考えられる 9 想定される業界 • 想定されるユーザー計測機器メーカー測量、計測専門会社大型構造物を作製する建築業界プラント関連 10 実用化に向けた課題 • 現在、GPIB制御系での自動測定まで完成。更なる高精度化に向け、専用の制御系による測定の高速化が進行中であり、今後の課題となっている。 • 現在10mの空間距離変位測定は実験室内で検証しているが、100mの測定は施設の関係で行っていない。今後、検証の必要あり。 11 企業への期待 • 高速データ処理のための回路技術を有し装置化が行えるメーカーや、市場のニーズを把握していると共に、長距離での評価実験が可能なレーザ測距関連メーカーとの共同研究を希望 12 本技術に関する知的財産発明の名称：距離計測装置出願番号：特願2006-026422、特願2007-205949 出願人：国立大学法人東京農工大学発明者：黒川、田中、塩田発明の名称：距離測定システム出願番号：PCT/JP2007/054617 出願人：国立大学法人東京農工大学発明者：黒川 13 2) 光ファイバ給電センサ研究背景 ☆研究分野センサネットワーク---無線、または有線を利用し、様々な環境情報を取得するセンサ網 ☆ファイバ給電によるセンサ網の研究を手がける理由 ○バッテリ不要でメンテナンスフリー、 ○電波の届かない場所でも使用可能、 ○低電力、 ○広範囲にわたり多数のセンサ配置が可能、なセンサ網を実現するため。 14 技術内容光ファイバ給電によるセンサ網センサノードインタフェース光分岐 DC電力マイクロプロセッサ太陽電池光信号センサ多種 MEMS 反射鏡光変調器監視装置レーザ信号モニター光ファイバセンサノードセンサ 15 開発したセンサノード Sensor node 60mm m 80 m 50mm Temp. Sensor MEMS mod. Optical power 16 従来技術と問題点既に実用化されている有線タイプのセンサ網はセンサノードに信号発生用の光源を有し消費電力が高く、センサ台数が制限される。また、バッテリーのメンテナンス等の問題がある。また、開発が進んでいる無線タイプのセンサ網は設置が容易な反面、バッテリーのメンテナンス多数のセンサの広域配置等に問題がある。 17 新技術の特徴・従来技術との比較 • 従来技術では、センサノードのメンテナンス、信号発生光源の電力消費量の大きさ等が問題 • 本技術では、監視側からレーザ給電を行うためバッテリ交換等のメンテナンスは不要。MEMS等の低電力光変調器の使用により、ノードでの電力消費が大幅に低減。 1台のレーザで～100台のセンサを駆動。 μプロセッサ制御のノードにより汎用性拡大。 18 想定される用途プラント内の安全管理ビル内の防災監視光信号光ファイバ大気監視 NOx 光ファイバセンサノード監視側給電光ピピピ A地区で光化学スモッグ発生！！レーザ下水増量による都市洪水監視水位センサ水流センサ 19 想定される業界 • 想定されるユーザーセンサー機器メーカー計測機器メーカー光製品関連企業ビルディング、プラント、輸送システム、下水道等の保守管理会社 20 実用化に向けた課題 • 現在、250μWで動作するセンサノード3台を利用したセンシングの動作確認まで行っている。 • 今後、更なる低電力化やIC化、大規模センサ網に適用するための最適設計とセンサ網実験のデータ取得が課題。 • 無線ノードは現在開発中信号モニタレーザ無線ノード（無線センサ信号受信）光ファイバ太陽電池フィルタ識別器増幅器光変調器 21 企業への期待 • センサノードのIC化により、更なる低電力、低コスト化が可能となる。そのため、IC化を行える回路メーカーとの共同研究を希望。 • また、低電力光変調器の高性能化に向け、 MEMS技術を持つ光メカトロニクス関連企業との共同研究を希望。 • 更に、大規模システム実験を行える企業との共同研究を期待。 22 本技術に関する知的財産発明の名称：センサ装置出願番号：特願2007-075683 発明者：黒川、田中出願人：黒川発明の名称：センシングシステム出願番号：特願2008-121600 発明者：黒川、田中出願人：黒川、田中 23 お問い合わせ先国立大学法人東京農工大学産官学連携・知的財産センター島村太郎ＴＥＬ０４２－３８８－７２８３ＦＡＸ０４２－３８８－７１７３ e-mail [email protected] 24