Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JP6985695B2 - Refractive index measuring device and method - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JP6985695B2 - Refractive index measuring device and method - Google Patents

Refractive index measuring device and method Download PDF

Info

Publication number
JP6985695B2
JP6985695B2 JP2017160442A JP2017160442A JP6985695B2 JP 6985695 B2 JP6985695 B2 JP 6985695B2 JP 2017160442 A JP2017160442 A JP 2017160442A JP 2017160442 A JP2017160442 A JP 2017160442A JP 6985695 B2 JP6985695 B2 JP 6985695B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
optical
refractive index
fiber
comb
resonator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2017160442A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2019039723A (en
Inventor
武史 安井
丈夫 南川
凌 麻植
周路 田上
秀樹 深野
薫 美濃島
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
THE UNIVERSITY OF ELECTRO-COMUNICATINS
Okayama University NUC
University of Tokushima NUC
Original Assignee
THE UNIVERSITY OF ELECTRO-COMUNICATINS
Okayama University NUC
University of Tokushima NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by THE UNIVERSITY OF ELECTRO-COMUNICATINS, Okayama University NUC, University of Tokushima NUC filed Critical THE UNIVERSITY OF ELECTRO-COMUNICATINS
Priority to JP2017160442A priority Critical patent/JP6985695B2/en
Publication of JP2019039723A publication Critical patent/JP2019039723A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6985695B2 publication Critical patent/JP6985695B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Lasers (AREA)

Description

本発明は、屈折率計測装置及び方法に関する。 The present invention relates to a refractive index measuring device and a method.

屈折率は、物質中の光の速度を示す指標であり、光の屈折、反射等に寄与する。また、屈折率は光と物質の相互作用を表す物質固有の誘電率から導かれるため、屈折率を正確に評価することで、物質の状態を評価することにも繋がる。例えば、産業分野において、液体物質の品質評価(液体物質の同定、液体の濃度・混合比の測定)や光学材料部品(光学ガラス、光ファイバーなど)の特性評価に、屈折率計測が利用されている。また、生体分子の検出や化学反応の評価など、バイオ・生化学分野等でも重要とされている。 The refractive index is an index showing the speed of light in a substance and contributes to the refraction and reflection of light. In addition, since the refractive index is derived from the permittivity peculiar to a substance, which represents the interaction between light and a substance, accurate evaluation of the refractive index leads to evaluation of the state of the substance. For example, in the industrial field, refractive index measurement is used for quality evaluation of liquid substances (identification of liquid substances, measurement of liquid concentration / mixing ratio) and characteristic evaluation of optical material parts (optical glass, optical fiber, etc.). .. It is also important in the fields of biochemistry and biochemistry, such as detection of biomolecules and evaluation of chemical reactions.

従来の屈折率の測定方法には、最小偏角法、臨界角法、Vブロック法、干渉法、表面プラズモン共鳴法、マルチモード干渉法などがある(例えば、特許文献1及び2参照)。 Conventional methods for measuring the refractive index include a minimum deviation method, a critical angle method, a V-block method, an interferometry, a surface plasmon resonance method, a multimode interferometry, and the like (see, for example, Patent Documents 1 and 2).

特開2017−090259号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2017-090259 特開2012−251963号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-251963

佐々田博之,「光周波数コム技術の現状と展開」,光学,総合報告,応用物理学会,41巻,9号,2012年Hiroyuki Sasada, "Current Status and Development of Optical Frequency Comb Technology", Optics, Comprehensive Report, Japan Society of Applied Physics, Vol. 41, No. 9, 2012 南川丈夫ほか,「ファイバー光コム共振器型ひずみセンサーの開発」,Proceedings of 57th Meeting on Lightwave Sensing Technology, LST57−21, June 2016Takeo Minamikawa et al., "Development of Fiber Optical Com Resonator Strain Sensor", Proceedings of 57th Meeting on Lightwave Sensing Technology, LST57-21, June 2016 C. R. Biazoli et al., ”Multimode interference tapered fiber refractive index sensors,” Applied Optics, 51(24), pp. 5941−5945 (2012)C. R. Biazoli et al. , "Multimode interference tapered fiber refractive index sensors," Applied Optics, 51 (24), pp. 5941-5945 (2012) A.A. Jasim et al., ”Refractive index and strain sensing using inline Mach−Zehnder interferometer comprising perfluorinated graded−index plastic optical fiber, Sensors and Actuators,” A: Physical, 219, 94−99 (2014)A. A. Jasim et al. , "Refractive index and refraction sensing inline Mach-Zehnder interferometer comprising perfluorinated graded-index plastic optics * or C. Bobby Mathews et al., ”Design and Development of a Cholesterol Sensor Based on the Refractive Index Sensing of Tilted Fiber Bragg Grating,” The International Conference on Fiber Optics and Photonics, 2016C. Bobby Mathews et al. , "Design and Development of a Cholesterol Sensor Based on the Refractive Index Sensing of Tilted Fiber Bragg Grating," The Engine Xueliang Shi et al., ”Refractive index sensor based on tilted fiber Bragg grating and stimulated Brillouin scattering,” Optics Express, 20 (9), 10853 (2012).Xueliang Shi et al. , "Refractive index sensor based on tiled fiber Bragg grating and stimulating and Brillouin scattering," Optics Express, 20 (9), 10853 (2012). Changyu Shen et al., ”Characteristics of Refractive Index Sensor Based on Adjusting Gap Fiber Bragg Grating,” Proceeding of SPIE−OSA−IEEE Asia Communications and Photonics, SPIE Vol. 7990, 79900K (2011).Changeu Shen et al. , "Characteristics of Refractive Index Sensor Based on Adjusting Gap Fiber Bragg Grating," Proceeding of SPIE-OSA-IESOS. 7990, 79900K (2011). Galina Nemova et al., ”Modeling of Plasmon−Polariton Refractive−Index Hollow Core Fiber Sensors Assisted by a Fiber Bragg Grating,” JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. 24, NO. 10, 3789 (2006)Galina Nemova et al. , "Modeling of Plasmon-Polariton Refractive-Index Hollow Core Fiber Sensors Assisted by a Fiber Bragg Grating," JOURNAL OF LIGHTWV. 24, NO. 10, 3789 (2006) Darran K. C. Wu et al., ”Ultrasensitive photonic crystal fiber refractive index sensor,” Optics Letters, Vol. 34, No. 3, 2009Darran K. C. Wu et al. , "Ultrasenitive photonic crystal fiber fiber refractive index sensor," Optics Letters, Vol. 34, No. 3, 2009 Kwang Jo Lee et al., ”Refractive index sensor based on a polymer fiber directional coupler for low index sensing,” Optics Express, Vol. 22, No. 14, 17497 (2014).Kwang Jo Lee et al. , "Refractive index sensor based on a polymer fiber director direct coupler for low index sensing," Optics Express, Vol. 22, No. 14, 17497 (2014).

しかし、これらの手法では、光スペクトル波形や光強度信号などのアナログ量の計測に基づいており、測定する光計測機器の性能により、分解能が10−4〜10−5程度に留まっていた。液体物質や光学材料部品を始めとした工業製品の更なる高品質化のためには、現状の屈折率センサーの分解能向上が必要である。また、高分解能化に加え、様々な状況において使用できるよう装置は小型である必要もある。 However, these methods are based on the measurement of analog quantities such as optical spectrum waveforms and optical intensity signals, and the resolution remains at about 10-4 to 10-5 depending on the performance of the optical measuring device to be measured. In order to further improve the quality of industrial products such as liquid substances and optical material parts, it is necessary to improve the resolution of the current refractive index sensor. In addition to increasing the resolution, the device also needs to be small so that it can be used in various situations.

例えば、アッベの屈折率計では、多くの場合はサンプリングが必要なため連続測定が困難であり、高精度化のためには精密な光学系が必要(大型化)であって、分解能が10−4程度であった。 For example, in the Abbe refractometer, it is difficult to continuously measure for sampling is required in most cases, a required precision optics for high accuracy (large), resolution is 10 - It was about 4.

本発明の目的は以上の問題点を解決し、従来技術に比較して高分解能でかつ小型の装置で屈折率を計測できる屈折率計測装置及び方法を提供することにある。 An object of the present invention is to solve the above problems and to provide a refractive index measuring device and a method capable of measuring a refractive index with a device having a high resolution and a small size as compared with the prior art.

本発明にかかる屈折率計測装置は、
所定の媒質中にクラッドレス・マルチモード光ファイバーを配置してなるマルチモード干渉光ファイバーセンサーを含む光伝送路を有し、光共振器を所定の分散量に制御することで、スペクトルにおいて櫛の歯状で等間隔に並置し位相同期した複数の波長が光共振状態となり、光周波数コムを発生するファイバー光コム共振器と、
前記光共振器により発生される光信号を交流電気信号に光電変換する光検出器と、
前記光検出器から出力される交流電気信号の繰り返し周波数に基づいて、前記媒質中の光の屈折率を計測する計測制御手段とを備えたことを特徴とする。
The refractive index measuring device according to the present invention is
It has an optical transmission path including a multimode interference optical fiber sensor in which a cladless multimode optical fiber is arranged in a predetermined medium, and by controlling the optical cavity to a predetermined dispersion amount, a comb tooth shape in the spectrum. A fiber optical comb cavity that generates an optical frequency comb when multiple wavelengths that are juxtaposed at equal intervals and phase-synchronized are in an optical resonance state.
An optical detector that photoelectrically converts an optical signal generated by the optical resonator into an AC electric signal,
It is characterized by being provided with a measurement control means for measuring the refractive index of light in the medium based on the repetition frequency of an AC electric signal output from the photodetector.

また、本発明にかかる屈折率計測方法は、
所定の媒質中にクラッドレス・マルチモード光ファイバーを配置してなるマルチモード干渉光ファイバーセンサーを含む光伝送路を有するファイバー光コム共振器が、ファイバー光コム共振器を所定の分散量に制御することで、スペクトルにおいて櫛の歯状で等間隔に並置し位相同期した複数の波長が光共振状態となり光周波数コムを発生するステップと、
光検出器が、前記ファイバー光コム共振器により発生される光信号を交流電気信号に光電変換するステップと、
計測制御手段が、前記光検出器から出力される交流電気信号の繰り返し周波数に基づいて、前記媒質中の光の屈折率を計測制御するステップとを含むことを特徴とする。
Further, the method for measuring the refractive index according to the present invention is:
A fiber optical comb resonator having an optical transmission path including a multimode interference optical fiber sensor in which a cladless multimode optical fiber is arranged in a predetermined medium controls the fiber optical comb resonator to a predetermined dispersion amount. In the spectrum, multiple wavelengths that are juxtaposed at equal intervals in the shape of a comb and are phase-synchronized enter an optical resonance state and generate an optical frequency comb.
A step in which the photodetector photoelectrically converts an optical signal generated by the fiber optical comb resonator into an AC electrical signal.
The measurement control means includes a step of measuring and controlling the refractive index of light in the medium based on the repetition frequency of the AC electric signal output from the photodetector.

本発明に係る屈折率計測装置及び方法によれば、従来技術に比較して高分解能でかつ小型の装置で屈折率を計測できる。 According to the refractive index measuring device and method according to the present invention, the refractive index can be measured with a device having higher resolution and smaller size than the prior art.

実施形態にかかる屈折率計測装置の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the refractive index measuring apparatus which concerns on embodiment. 図1のマルチモード干渉ファイバーセンサー5の構成例を示す概略側面図である。It is a schematic side view which shows the structural example of the multimode interference fiber sensor 5 of FIG. 図1の屈折率計測装置の実験結果であって、マルチモード干渉ファイバーセンサー5の有無及び水(エタノール0%)によるスペクトル波形シフト特性を示すスペクトル図である。It is an experimental result of the refractive index measuring apparatus of FIG. 1, and is a spectral diagram which shows the presence / absence of a multimode interference fiber sensor 5 and the spectral waveform shift characteristic by water (ethanol 0%). 図1の屈折率計測装置の実験結果であって、エタノールの濃度によるスペクトル波形シフト特性を示すスペクトル図である。It is an experimental result of the refractive index measuring apparatus of FIG. 1, and is a spectral diagram which shows the spectral waveform shift characteristic by the concentration of ethanol. 図1の屈折率計測装置の実験結果であって、エタノールの濃度に対する波長シフト量を示すグラフである。It is an experimental result of the refractive index measuring apparatus of FIG. 1, and is a graph which shows the wavelength shift amount with respect to the concentration of ethanol. 図1の屈折率計測装置におけるファイバー屈折率の波長特性を示すグラフである。It is a graph which shows the wavelength characteristic of the fiber refractive index in the refractive index measuring apparatus of FIG. 図1の屈折率計測装置の実験結果であって、サンプリング数N=100のときの各ゲート時間に対する繰り返し周波数の揺らぎ(標準偏差)を示すグラフである。It is an experimental result of the refractive index measuring apparatus of FIG. 1, and is a graph which shows the fluctuation (standard deviation) of the repetition frequency with respect to each gate time when the sampling number N = 100. 図1の屈折率計測装置の実験結果であって、繰り返し周波数の変化による屈折率の測定結果を示すグラフである。It is the experimental result of the refractive index measuring apparatus of FIG. 1, and is the graph which shows the measurement result of the refractive index by the change of a repetition frequency.

以下、本発明の一実施形態にかかる屈折率計測装置について説明する。 Hereinafter, the refractive index measuring device according to the embodiment of the present invention will be described.

屈折率は光と物質の相互作用を表す物質固有の誘電率から導かれるため、屈折率を正確に評価することで、物質の状態を評価することにも繋がる。例えば、産業分野において、液体物質の品質評価(液体物質の同定、液体の濃度・混合比の測定)や光学材料部品(光
学ガラス、光ファイバーなど)の特性評価に、屈折率計測が利用されている。しかし、上述のように、従来の屈折率測定法の分解能は10−4〜10−5オーダ一に制限され、品質評価の精度を向上するためには、更なる高分解能化が求められている。
Since the refractive index is derived from the permittivity peculiar to a substance, which represents the interaction between light and a substance, accurate evaluation of the refractive index also leads to evaluation of the state of the substance. For example, in the industrial field, refractive index measurement is used for quality evaluation of liquid substances (identification of liquid substances, measurement of liquid concentration / mixing ratio) and characteristic evaluation of optical material parts (optical glass, optical fiber, etc.). .. However, as described above, the resolution of the conventional refractive index measurement method is limited to the order of 10-4 to 10-5 , and further improvement in resolution is required in order to improve the accuracy of quality evaluation. ..

ここで、ファイバー光コム(例えば、非特許文献1参照)共振器独自の「外乱/RF変換機能」を利用すれば、様々な物理量をRF信号(繰り返し周波数frep)に変換することが可能になる。周波数は極めて高精度計測が可能な物理量であるので、このアプローチにより各種物理計測の高精度化が期待できる。先行例では共振器ファイバーそのものを歪みセンサーとして用いていた(例えば、非特許文献2参照)。 Here, by using the "disturbance / RF conversion function" unique to the fiber optical comb (see, for example, Non-Patent Document 1) resonator, it is possible to convert various physical quantities into RF signals (repetition frequency prep). .. Since frequency is a physical quantity that can be measured with extremely high accuracy, this approach can be expected to improve the accuracy of various physical measurements. In the preceding example, the resonator fiber itself was used as a strain sensor (see, for example, Non-Patent Document 2).

これに対して、本実施形態ではファイバー屈折率センサーの1つであるマルチモード干渉(MMI)ファイバーセンサー(例えば、特許文献2参照;以下、MMIファイバーセンサーという)をファイバー光コム共振器内に組み込み(屈折率センシング光コム)、屈折率変化を繰り返し周波数frepで読み出すことにより、屈折率計測の高精度化を行うことを特徴とする。 On the other hand, in the present embodiment, a multimode interference (MMI) fiber sensor (see, for example, Patent Document 2; hereinafter referred to as MMI fiber sensor), which is one of the fiber refractive index sensors, is incorporated in the fiber optical comb resonator. (Refractive index sensing optical comb), it is characterized in that the refractive index measurement is highly accurate by repeatedly reading out the refractive index change at the frequency prep.

図1は実施形態にかかる屈折率計測装置の構成例を示すブロック図である。図1において、本実施形態にかかる屈折率計測装置は、
(1)ファイバー光コム共振器を励起するための半導体レーザー光源1と、
(2)WDMカプラ2と、
(3)光増幅手段であるEr添加光ファイバー3と、
(4)偏波コントローラ4と、
(5)MMIファイバーセンサー5と、
(6)アイソレータ6と、
(7)光ファイバーカプラ7と、
(8)アイソレータ8と、
(9)光検出器9と、
(10)計測制御装置10とを備え、
これらの光処理素子1〜9がシングルモード光ファイバー11〜19を介して接続される。具体的には以下の通りである。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of the refractive index measuring device according to the embodiment. In FIG. 1, the refractive index measuring device according to the present embodiment is
(1) A semiconductor laser light source 1 for exciting a fiber optical comb resonator, and
(2) WDM coupler 2 and
(3) Er-added optical fiber 3 which is an optical amplification means and
(4) Polarization controller 4 and
(5) MMI fiber sensor 5 and
(6) Isolator 6 and
(7) Optical fiber coupler 7 and
(8) Isolator 8 and
(9) Photodetector 9 and
(10) Equipped with a measurement control device 10
These optical processing elements 1 to 9 are connected via a single mode optical fiber 11 to 19. Specifically, it is as follows.

半導体レーザー光源1は公知の通り、ファイバー光コム共振器内のEr添加光ファイバー3を励起するためのレーザー光を発生し、当該レーザー光信号は、シングルモード光ファイバー11を介してWDMカプラ2に入力される。WDMカプラ2は入力される光信号のうち、所定の波長帯域の光信号をEr添加光ファイバー3に入力される。Er添加光ファイバー3の励起により発生したルミネッセンス光は、シングルモード光ファイバー12、WDMカプラ2、シングルモード光ファイバー16、アイソレータ6、シングルモード光ファイバー17、光ファイバーカプラ7、シングルモード光ファイバー15、MMIファイバーセンサー5、シングルモード光ファイバー14、偏波コントローラ4およびシングルモード光ファイバー13を介して、リング型のファイバー光コム共振器を一方向(時計方向)に周回を繰り返す。ここで、共振器の全分散量を適切な値にした上で、偏波コントローラ4で所定の偏光状態に変換すると、スペクトルにおいて櫛の歯状で等間隔に並置し位相同期した複数の波長が光共振状態(モード同期)となり、光周波数コムが共振器内を周回する。 As is known, the semiconductor laser light source 1 generates a laser beam for exciting the Er-added optical fiber 3 in the fiber optical comb resonator, and the laser optical signal is input to the WDM coupler 2 via the single mode optical fiber 11. To. Of the input optical signals, the WDM coupler 2 inputs an optical signal in a predetermined wavelength band to the Er-added optical fiber 3. The luminescence light generated by the excitation of the Er-added optical fiber 3 is a single-mode optical fiber 12, WDM coupler 2, single-mode optical fiber 16, isolator 6, single-mode optical fiber 17, optical fiber coupler 7, single-mode optical fiber 15, MMI fiber sensor 5, single. The ring-shaped fiber optical comb resonator is repeatedly orbited in one direction (clockwise) via the mode optical fiber 14, the polarization controller 4, and the single mode optical fiber 13. Here, when the total dispersion amount of the cavity is set to an appropriate value and then converted to a predetermined polarization state by the polarization controller 4, a plurality of wavelengths arranged in a comb-like pattern at equal intervals and phase-synchronized in the spectrum are generated. It becomes an optical resonance state (mode synchronization), and the optical frequency comb orbits in the cavity.

当該光コム共振器により発生された光信号は光ファイバーカプラ7からシングルモード光ファイバー18、アイソレータ9及びシングルモード光ファイバー19を介して光検出器9に入力される。光検出器9は入力される光信号を例えばRF帯の電気信号(数十MHzから数十GHz)に光電変換して計測制御装置10に出力する。計測制御装置10は入力されるRF信号をサンプリングしてスペクトル特性や周波数特性を計測可能なスペクトルアナライザ機能や周波数カウント機能を有する。ここで、計測制御装置10は、ユーザが計測制御装置10を操作(サンプリング周波数、測定周波数などの調整等)するための操作部10aと、スペクトル特性等の計測結果を表示する表示部10bとを有する。 The optical signal generated by the optical comb resonator is input from the optical fiber coupler 7 to the photodetector 9 via the single-mode optical fiber 18, the isolator 9, and the single-mode optical fiber 19. The photodetector 9 photoelectrically converts the input optical signal into, for example, an RF band electric signal (from several tens of MHz to several tens of GHz) and outputs it to the measurement control device 10. The measurement control device 10 has a spectrum analyzer function and a frequency counting function capable of sampling an input RF signal and measuring spectral characteristics and frequency characteristics. Here, the measurement control device 10 includes an operation unit 10a for the user to operate the measurement control device 10 (adjustment of sampling frequency, measurement frequency, etc.) and a display unit 10b for displaying measurement results such as spectral characteristics. Have.

図2は図1のMMIファイバーセンサー5の構成例を示す概略側面図である。図2において、筐体30内に例えばエタノール又は水などの液体である媒質21が充填され、当該媒質21中に、シングルモード光ファイバー14,15間に接続されたクラッドレス・マルチモード光ファイバー20を浸すように配置される。図2において、シングルモード光ファイバー14はコア部14cとその周囲のクラッド部14aと備えて構成され、シングルモード光ファイバー15はコア部15cとその周囲のクラッド部15aとを備えて構成される。また、20cはマルチモード光ファイバー20のコア部である。ここで、MMIファイバーセンサー5におけるグース・ヘンシェンシフト量は公知の通り、媒体21の屈折率に依存し、図2の100で示す染み出し長の変化が光学的共振器長nLを変化すると、図1の光周波数コムで発生された光信号の繰り返し周波数frepを変化させることができる。 FIG. 2 is a schematic side view showing a configuration example of the MMI fiber sensor 5 of FIG. In FIG. 2, the housing 30 is filled with a medium 21 which is a liquid such as ethanol or water, and the cladless multimode optical fiber 20 connected between the single mode optical fibers 14 and 15 is immersed in the medium 21. Arranged like this. In FIG. 2, the single-mode optical fiber 14 is configured to include a core portion 14c and a clad portion 14a around the core portion 14c, and the single-mode optical fiber 15 is configured to include a core portion 15c and a clad portion 15a around the core portion 15c. Further, 20c is a core portion of the multimode optical fiber 20. Here, as is known, the goose-henshen shift amount in the MMI fiber sensor 5 depends on the refractive index of the medium 21, and when the change in the seepage length shown by 100 in FIG. 2 changes the optical resonator length nL, The repetition frequency refraction of the optical signal generated by the optical frequency comb of FIG. 1 can be changed.

すなわち、図1の屈折率計測装置の光共振器は、リング型モード同期Erファイバーレーザー共振器を構成し、当該光共振器にMMIファイバーセンサー5を挿入した構成となっており、偏波コントローラ4による非線形偏波回転によりモード同期動作を得る。当該光共振器から得られるモード同期スペクトルは、MMIファイバーセンサー5の干渉波長を中心としたスペクトル形状を示す。ここで、MMIファイバーセンサー5の媒質21の屈折率が変化すると、レーザースペクトルシフトが起こると考えられる。 That is, the optical resonator of the refractive index measuring device of FIG. 1 constitutes a ring-type mode-synchronized Er fiber laser resonator, and the MMI fiber sensor 5 is inserted into the optical resonator. Mode-synchronized operation is obtained by non-linear polarization rotation due to. The mode-synchronized spectrum obtained from the optical resonator shows a spectral shape centered on the interference wavelength of the MMI fiber sensor 5. Here, it is considered that a laser spectrum shift occurs when the refractive index of the medium 21 of the MMI fiber sensor 5 changes.

本発明者らは、媒質21として水とエタノール水溶液を用い、その濃度比を変化させることにより、屈折率変化に伴うレーザースペクトルの周波数シフト量などを測定した。 The present inventors used water and an aqueous ethanol solution as the medium 21 and measured the frequency shift amount of the laser spectrum accompanying the change in the refractive index by changing the concentration ratio thereof.

図3Aは図1の屈折率計測装置の実験結果であって、MMIファイバーセンサー5の有無及び水(エタノール0%)によるスペクトル波形シフト特性を示すスペクトル図である。図3Aから明らかなように、MMIファイバーセンサー5を挿入することで、スペクトルピークが短波長側にシフトしていることがわかる。 FIG. 3A is an experimental result of the refractive index measuring device of FIG. 1, and is a spectral diagram showing the presence / absence of the MMI fiber sensor 5 and the spectral waveform shift characteristic due to water (ethanol 0%). As is clear from FIG. 3A, it can be seen that the spectral peak is shifted to the short wavelength side by inserting the MMI fiber sensor 5.

図3Bは図1の屈折率計測装置の実験結果であって、エタノールの濃度によるスペクトル波形シフト特性を示すスペクトル図である。図3Bから明らかなように、MMIファイバーセンサー5内のエタノール水溶液の濃度を高くすることで、スペクトルピークが長波長側にシフトしていることがわかる。 FIG. 3B is an experimental result of the refractive index measuring device of FIG. 1, and is a spectral diagram showing a spectral waveform shift characteristic depending on the concentration of ethanol. As is clear from FIG. 3B, it can be seen that the spectral peak is shifted to the long wavelength side by increasing the concentration of the ethanol aqueous solution in the MMI fiber sensor 5.

図4は図1の屈折率計測装置の実験結果であって、エタノールの濃度に対する波長シフト量を示すグラフである。図4から明らかなように、MMIファイバーセンサー5内のエタノール水溶液の濃度を0〜80%の範囲で高くすることで、スペクトルピークが長波長側にシフトし、さらにエタノール水溶液の濃度を80%以上に高くすることで、スペクトルピークが短波長側にシフトしていることがわかる。 FIG. 4 is an experimental result of the refractive index measuring device of FIG. 1, and is a graph showing the amount of wavelength shift with respect to the concentration of ethanol. As is clear from FIG. 4, by increasing the concentration of the ethanol aqueous solution in the MMI fiber sensor 5 in the range of 0 to 80%, the spectral peak shifts to the long wavelength side, and the concentration of the ethanol aqueous solution is further increased to 80% or more. It can be seen that the spectral peak is shifted to the short wavelength side by increasing the value to.

図5は図1の屈折率計測装置におけるファイバー屈折率の波長特性(1.55μm付近)を示すグラフである。シングルモード光ファイバーの屈折率は波長に依存しており、媒体21の屈折率が高くなると、スペクトルピークは長波長側にシフトし、光ファイバーの屈折率が増大すると、繰り返し周波数frepは減少する。従って、次式が得られる。 FIG. 5 is a graph showing the wavelength characteristics (near 1.55 μm) of the fiber refractive index in the refractive index measuring device of FIG. The refractive index of the single-mode optical fiber depends on the wavelength, and when the refractive index of the medium 21 becomes high, the spectral peak shifts to the long wavelength side, and when the refractive index of the optical fiber increases, the repetition frequency prep decreases. Therefore, the following equation is obtained.

Figure 0006985695
Figure 0006985695

図6は図1の屈折率計測装置の実験結果であって、サンプリング数N=100のときの各ゲート時間に対する繰り返し周波数の揺らぎ(標準偏差)を示すグラフである。図6から明らかなように、計測制御装置10において計測するときのゲート時間が増加すると、繰り返し周波数frepの標準偏差が減少し、0.1秒で最小となる(図6の101)。すなわち、最小の標準偏差は、ゲート時間0.1秒で0.083Hzとなる。なお、0.1秒以上で標準偏差が増加したのは、光共振器に対する温度の外乱によるものと考えられる。この周波数揺らぎが、屈折率測定の分解能を制限する。 FIG. 6 is an experimental result of the refractive index measuring device of FIG. 1, and is a graph showing fluctuation (standard deviation) of the repetition frequency with respect to each gate time when the sampling number N = 100. As is clear from FIG. 6, as the gate time when measuring in the measurement control device 10 increases, the standard deviation of the repetition frequency prep decreases and becomes the minimum in 0.1 seconds (101 in FIG. 6). That is, the minimum standard deviation is 0.083 Hz with a gate time of 0.1 seconds. The increase in the standard deviation in 0.1 seconds or more is considered to be due to the temperature disturbance to the optical resonator. This frequency fluctuation limits the resolution of the refractive index measurement.

図7は図1の屈折率計測装置の実験結果であって、繰り返し周波数の変化による屈折率の測定結果を示すグラフである。図7から明らかなように、水に対する各サンプルの周波数変化(差分)を得た。周波数変化率は2.78[Hz/ethano%]であり、単位周波数あたりの屈折率変化は1.08×10−4[RIU/Hz]となる。このとき、屈折率の分解能は、8.93×10−6@標準偏差=0.083[Hz]となり、世界トップレベルと同程度の分解能を得た。 FIG. 7 is an experimental result of the refractive index measuring device of FIG. 1, and is a graph showing the measurement result of the refractive index due to a change in the repetition frequency. As is clear from FIG. 7, the frequency change (difference) of each sample with respect to water was obtained. The frequency change rate is 2.78 [Hz / ethano%], and the refractive index change per unit frequency is 1.08 × 10 -4 [RIU / Hz]. At this time, the resolution of the refractive index was 8.93 × 10-6 @ standard deviation = 0.083 [Hz], and the resolution was about the same as the world's top level.

以上説明したように、屈折率変化により、レーザースペクトルがシフトしている様子が確認できる。このことから、光共振器内にMMIファイバーセンサー5を挿入しても、屈折率センサーとして機能していることが分かる。この屈折率依存性レーザースペクトルシフトは、共振器ファイバーの波長分散を介して、繰返し周波数変化に繋がると考えられる。 As described above, it can be confirmed that the laser spectrum is shifted due to the change in the refractive index. From this, it can be seen that even if the MMI fiber sensor 5 is inserted in the optical resonator, it still functions as a refractive index sensor. It is considered that this refractive index-dependent laser spectrum shift leads to a repeating frequency change through the wavelength dispersion of the resonator fiber.

以上の実施形態では、リング形状の光共振器を構成しているが、本発明はこれに限らず、リニア型、8の字型、9の字型等の光共振器を構成してもよい。また、上記ファイバー光コム共振器において、偏波コントローラ4の代わりに、モード同期素子として過飽和吸収体/カーボンナノチューブ/グラフェン/電気光学変調器を用いることも可能である。 In the above embodiment, the ring-shaped optical resonator is configured, but the present invention is not limited to this, and a linear type, 8-shaped type, 9-shaped optical resonator, or the like may be configured. .. Further, in the fiber optical comb resonator, it is also possible to use a hypersaturated absorber / carbon nanotube / graphene / electro-optical modulator as a mode-synchronizing element instead of the polarization controller 4.

MMIファイバーセンサー5の代わりに、テーパー型MMIファイバーセンサー(例えば、非特許文献3参照)、マッハツェンダー干渉計型ファイバーセンサー(例えば、非特許文献4参照)、ファイバーブラッググレーティング型ファイバーセンサー(例えば、非特許文献5〜7参照)、表面プラズモン・ポラリントン型ファイバーセンサー(例えば、非特許文献8参照)、方向性結合器型ファイバーセンサー(例えば、非特許文献9,10参照)を用いてもよい。 Instead of the MMI fiber sensor 5, a tapered MMI fiber sensor (for example, see Non-Patent Document 3), a Mach Zender interferometer type fiber sensor (for example, see Non-Patent Document 4), and a fiber Bragg grating type fiber sensor (for example, non-Patent Document 4). Patent Documents 5 to 7), a surface plasmon polarington type fiber sensor (see, for example, Non-Patent Document 8), and a directional coupler type fiber sensor (see, for example, Non-Patent Documents 9 and 10) may be used.

本実施形態では、ファイバー光コム共振器を用いて、独自の「共振器外乱/RF周波数変換機能」を利用した、高精度屈折率計測装置を開示した。ファイバー光コム共振器のセンシング部であるMIIファイバーセンサー5に対して屈折率変化を外乱として付与すると、光学的共振器長が伸縮し、光コム間隔というRF周波数信号が変化する。周波数は、各種物理量の中でも最高精度の国家標準(セシウム原子時計、周波数不確かさ10−15)が整備され、離散量(デジタル量)として計測できるので、極めて高精度で高ダイナミックレンジな計測が可能になる。従って、屈折率変化をRF周波数として読み出すことにより、屈折率計測の大幅な高性能化を可能にする。 In the present embodiment, a high-precision refractive index measuring device using a unique "resonator disturbance / RF frequency conversion function" using a fiber optical comb resonator is disclosed. When a change in the refractive index is applied as a disturbance to the MII fiber sensor 5 which is a sensing unit of the fiber optical comb resonator, the optical resonator length expands and contracts, and the RF frequency signal called the optical comb interval changes. The frequency has the highest accuracy national standard (cesium atomic clock, frequency uncertainty 10-15 ) among various physical quantities and can be measured as a discrete quantity (digital quantity), so it is possible to measure with extremely high accuracy and high dynamic range. become. Therefore, by reading out the change in the refractive index as the RF frequency, it is possible to significantly improve the performance of the refractive index measurement.

本発明にかかる実施形態は、周波数安定性といった観点で極限的光源である光周波数コム光を用いた「共振器外乱/RF周波数変換機能」と、周波数標準に基づいた「高精度周波数計測」の良好な整合性による、デジタル的周波数計測に基づいている。この手法は、これまでのアナログ的光計測に基づいた屈折率計測とは全く異なっており、現状の屈折率計測における限界をブレークする可能性を有している。また、MMIファイバーセンサー5の特長を活かすことにより、耐環境性、危険物質の測定可能性、非電磁誘導性、取り扱いやすいといった実用性も付与できる。 The embodiments according to the present invention are "resonator disturbance / RF frequency conversion function" using optical frequency comb light which is an extreme light source from the viewpoint of frequency stability, and "high-precision frequency measurement" based on a frequency standard. Based on digital frequency measurement with good consistency. This method is completely different from the conventional refractive index measurement based on analog optical measurement, and has the possibility of breaking the limit in the current refractive index measurement. Further, by utilizing the features of the MMI fiber sensor 5, practicality such as environmental resistance, measurable substance of dangerous substance, non-electromagnetic induction, and easy handling can be imparted.

屈折率計測は、産業分野やバイオ・医療分野において幅広く利用されており、更なる高精度化が実現できれば、より厳密な品質管理や高品質な医療応用が可能になる。例えば、産業界における飲料、調味料、油脂やバイオエタノールなどの各種液体製造工程に導入することにより、製造工程の安定化が期待できる。上述の屈折率計測装置を用いて、水/エタノール混合溶液を用いた原理確認実験において、良好な結果を得ている。 Refractive index measurement is widely used in the industrial field and bio / medical field, and if higher accuracy can be realized, stricter quality control and higher quality medical application will be possible. For example, it can be expected to stabilize the manufacturing process by introducing it into various liquid manufacturing processes such as beverages, seasonings, fats and oils and bioethanol in the industrial world. Good results have been obtained in a principle confirmation experiment using a water / ethanol mixed solution using the above-mentioned refractive index measuring device.

なお、屈折率を計測することで、例えば以下の物理量などを測定することができる。
(1)飲料の糖度、
(2)調味液の濃度、
(3)お茶の濃度、
(4)海水の塩分、
(5)エタノールの濃度、
(6)水溶性切削油の濃度、
(7)洗浄液の濃度、
(8)油脂の濃度、
(9)血液又は体液中の蛋白質(抗原)の検出。
By measuring the refractive index, for example, the following physical quantities can be measured.
(1) Sugar content of beverages,
(2) Concentration of seasoning liquid,
(3) Tea concentration,
(4) Salinity of seawater,
(5) Ethanol concentration,
(6) Concentration of water-soluble cutting oil,
(7) Concentration of cleaning solution,
(8) Concentration of fats and oils,
(9) Detection of protein (antigen) in blood or body fluid.

以上詳述したように、本発明に係る屈折率計測装置及び方法によれば、従来技術に比較して高分解能でかつ小型の装置で屈折率を計測できる。 As described in detail above, according to the refractive index measuring device and method according to the present invention, the refractive index can be measured with a device having higher resolution and smaller size than the prior art.

1 半導体レーザー光源、
2 WDMカプラ、
3 Er添加光ファイバー、
4 偏波コントローラ、
5 マルチモード干渉光ファイバーセンサー(MMIファイバーセンサー)、
6 アイソレータ、
7 光ファイバーカプラ、
8 アイソレータ、
9 光検出器、
10 計測制御装置、
10a 操作部、
10b 表示部、
11〜19 シングルモード光ファイバー、
14a,15a シングルモード光ファイバーのクラッド部、
14c,15c シングルモード光ファイバーのコア部、
20 クラッドレス・マルチモード光ファイバー、
20c クラッドレス・マルチモード光ファイバーのコア部、
21 媒質、
30 筐体。
1 Semiconductor laser light source,
2 WDM coupler,
3 Er added optical fiber,
4 Polarization controller,
5 Multimode interference optical fiber sensor (MMI fiber sensor),
6 isolator,
7 Fiber optic coupler,
8 isolator,
9 Photodetector,
10 Measurement control device,
10a operation unit,
10b display unit,
11-19 single mode optical fiber,
14a, 15a Single mode optical fiber clad part,
14c, 15c single mode optical fiber core,
20 cladless multimode optical fiber,
20c Cladless multimode optical fiber core,
21 medium,
30 housing.

Claims (2)

所定の媒質中にクラッドレス・マルチモード光ファイバーを配置し、屈折率依存性の光スペクトルシフトを示すマルチモード干渉光ファイバーセンサーを含む光伝送路を有し、光共振器を所定の分散量に制御することで、スペクトルにおいて櫛の歯状で等間隔に並置し位相同期した複数の波長が光共振状態となり、光周波数コムを発生するファイバー光コム共振器である光共振器を備える屈折率計測装置であって、
前記光ファイバーは、屈折率依存性の光スペクトルシフトを、光共振器ファイバーの屈折率分散を介して、光コム繰り返し周波数シフトに変換する光共振器ファイバーであり、
前記屈折率計測装置は、
前記光共振器により発生される光コム繰り返し周波数信号を交流電気信号に光電変換する光検出器と、
前記光検出器から出力される交流電気信号の繰り返し周波数に基づいて、前記媒質中の光の屈折率を計測する計測制御手段とを備えたことを特徴とする屈折率計測装置。
A cladless multimode optical fiber is placed in a predetermined medium, has an optical transmission path including a multimode interference optical fiber sensor showing a refraction-dependent optical spectrum shift, and controls an optical resonator to a predetermined dispersion amount. As a result, in the refractive index measuring device equipped with an optical resonator, which is a fiber optical comb resonator that generates an optical frequency comb, a plurality of wavelengths that are juxtaposed at equal intervals in the spectrum and are phase-synchronized are in an optical resonance state. There,
The optical fiber is an optical resonator fiber that converts a refractive index-dependent optical spectrum shift into an optical comb repeat frequency shift via the refractive index dispersion of the optical cavity fiber.
The refractive index measuring device is
An optical detector that photoelectrically converts an optical comb repeat frequency signal generated by the optical resonator into an AC electrical signal, and
A refractive index measuring device comprising a measurement control means for measuring the refractive index of light in the medium based on the repetition frequency of an AC electric signal output from the photodetector.
所定の媒質中にクラッドレス・マルチモード光ファイバーを配置してなるマルチモード干渉光ファイバーセンサーが、屈折率変化を光スペクトルシフトに変換するステップと、
マルチモード干渉光ファイバーセンサーを含む光伝送路を有する光共振器が、前記光共振器を所定の分散量に制御することで、スペクトルにおいて櫛の歯状で等間隔に並置し位相同期した複数の波長が光共振状態となり光周波数コムを発生するステップと、
屈折率分散が制御された前記光ファイバーが、屈折率依存性の光スペクトルシフトを光コム繰り返し周波数シフトに変換するステップと、
光検出器が、前記共振器により発生される光コム繰り返し周波数信号を交流電気信号に光電変換するステップと、
計測制御手段が、前記光検出器から出力される交流電気信号の繰り返し周波数に基づいて、前記媒質中の光の屈折率を計測するステップとを含むことを特徴とする屈折率計測方法。
A multimode interference optical fiber sensor in which a cladless multimode optical fiber is placed in a predetermined medium converts a change in refractive index into an optical spectrum shift, and
An optical cavity having an optical transmission path including a multimode interference optical fiber sensor controls the optical cavity to a predetermined dispersion amount, so that the optical resonators are juxtaposed at equal intervals in a comb-like shape in a spectrum and have multiple wavelengths synchronized with each other. Steps to generate an optical frequency comb in an optical resonance state,
The step in which the optical fiber with controlled refractive index dispersion converts the refractive index-dependent optical spectrum shift into an optical comb repeat frequency shift,
A step photodetector, which photoelectrically converts an optical comb repetition frequency signal that will be generated by the optical resonator to the AC electrical signal,
A method for measuring a refractive index, wherein the measurement control means includes a step of measuring the refractive index of light in the medium based on the repetition frequency of an AC electric signal output from the photodetector.
JP2017160442A 2017-08-23 2017-08-23 Refractive index measuring device and method Active JP6985695B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017160442A JP6985695B2 (en) 2017-08-23 2017-08-23 Refractive index measuring device and method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017160442A JP6985695B2 (en) 2017-08-23 2017-08-23 Refractive index measuring device and method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2019039723A JP2019039723A (en) 2019-03-14
JP6985695B2 true JP6985695B2 (en) 2021-12-22

Family

ID=65725536

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2017160442A Active JP6985695B2 (en) 2017-08-23 2017-08-23 Refractive index measuring device and method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6985695B2 (en)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112378884B (en) * 2020-11-19 2024-07-23 重庆三峡学院 Temperature-compensated SPR sensor with large measurement range and manufacturing and using methods
JP7650456B2 (en) * 2021-01-22 2025-03-25 学校法人 創価大学 Salt sensor device and manufacturing method thereof
JP7748717B2 (en) * 2021-11-26 2025-10-03 国立大学法人徳島大学 Fiber Sensing Device
JP2023176881A (en) * 2022-06-01 2023-12-13 国立大学法人徳島大学 surface plasmon resonance sensor

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4411412B2 (en) * 2005-08-24 2010-02-10 独立行政法人産業技術総合研究所 Refractive index measuring device using Fabry-Perot interferometer
JP5717392B2 (en) * 2010-10-05 2015-05-13 キヤノン株式会社 LIGHT SOURCE DEVICE AND IMAGING DEVICE USING THE SAME
JP5791073B2 (en) * 2011-06-07 2015-10-07 国立大学法人 岡山大学 Refractive index detection method and optical fiber sensor system
US9250128B2 (en) * 2012-03-02 2016-02-02 Beihang University Method and apparatus for optical asynchronous sampling signal measurements

Also Published As

Publication number Publication date
JP2019039723A (en) 2019-03-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Flores et al. Optical fibre Fabry-Pérot interferometer based on inline microcavities for salinity and temperature sensing
Campanella et al. Fibre Bragg grating based strain sensors: Review of technology and applications
Antman et al. Optomechanical sensing of liquids outside standard fibers using forward stimulated Brillouin scattering
Waechter et al. Chemical sensing using fiber cavity ring-down spectroscopy
Li et al. Spectral characteristics and ultrahigh sensitivities near the dispersion turning point of optical microfiber couplers
Tian et al. Fast response Fabry–Perot interferometer microfluidic refractive index fiber sensor based on concave-core photonic crystal fiber
Chen et al. Multimode fiber tip Fabry-Perot cavity for highly sensitive pressure measurement
Yang et al. Cladless few mode fiber grating sensor for simultaneous refractive index and temperature measurement
Pallarés-Aldeiturriaga et al. Optical fiber sensors by direct laser processing: A review
Yan et al. Fiber-loop ring-down interrogated refractive index sensor based on an SNS fiber structure
Gouveia et al. Simultaneous measurement of refractive index and temperature using multimode interference inside a high birefringence fiber loop mirror
Zibaii et al. Non-adiabatic tapered optical fiber sensor for measuring the interaction between α-amino acids in aqueous carbohydrate solution
JP6985695B2 (en) Refractive index measuring device and method
Tripathi et al. A wide-range temperature immune refractive-index sensor using concatenated long-period-fiber-gratings
Chen et al. All-fiber microfluidic multimode Mach–Zehnder interferometers as high sensitivity refractive index sensors
Yang et al. Large evanescently-induced Brillouin scattering at the surrounding of a nanofibre
Zhu et al. D-shaped optic fiber temperature and refractive index sensor assisted by tilted fiber Bragg grating and PDMS film
Zhang et al. A fiber optic refractive index sensor with temperature compensation based on cascaded Mach-Zehnder interference and Intermodal interference
Bag et al. Design and characterization of surface relief grating on etched multimode optical fiber for refractive index sensing
Høvik et al. Waveguide asymmetric long-period grating couplers as refractive index sensors
Yang et al. Dual-channel measurement of refractive index and temperature using a fan-shaped plastic optical fiber SPR sensor
Zhang et al. A microfiber half coupler for refractive index sensing
Zarifi et al. High resolution Brillouin sensing of micro-scale structures
Chen et al. Fiber refractive index sensor based on dual polarized Mach–Zehnder interference caused by a single-mode fiber loop
Yan et al. Temperature self-compensated refractive index sensor based on fiber Bragg grating and the ellipsoid structure

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20200702

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20210730

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20210831

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20211004

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20211026

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20211116

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6985695

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

S111 Request for change of ownership or part of ownership

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313117

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350