JP6391305B2 - 光ファイバセンサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバを用いて構成されるセンサ装置に関する。

液体の屈折率、あるいは、濃度等を測定するセンサ装置として、光ファイバを用いて構成されるセンサ装置が従来知られている。

例えば特許文献１には、光ファイバの一部に形成したヘテロコア部（コアの径が他の部分と異なる部分）のクラッドの外周面に、クロム膜に金膜を積層してなる金属膜と、エタノールにより収縮又は膨張することで屈折率が変化する交互積層膜とを装着した構造のエタノールセンサが本願出願人により提案されている。

このエタノールセンサは、金属膜が装着された光ファイバのヘテロコア部のクラッドの外周面で表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を発生させることで、ヘテロコア部の周囲のエタノール濃度に応じた交互積層膜の屈折率の変化に応じて、光の伝送強度を変化させるように構成されている。

また、例えば非特許文献１には、光ファイバの端部のクラッドを除去することで露出させたコアの外周面に、金ナノ粒子を固着させた構造のセンサが記載されている。該非特許文献１には、コアの外周面の金ナノ粒子によって、局在表面プラズモン共鳴という現象を発生させることで、光ファイバのコアの露出部分による光の吸収度合がピーク値となる波長が、該露出部分のコアの周囲の物質の屈折率に応じて変化することが記載されている。

特開２０１０−２２３８１７号公報

Optimization of gold-nanoparticle-based optical fibre surface plasmon resonance(SPR)-based sensors／M.H.Tu, T.Sun, K.T.V.Grattan／Sensors and Actuators B 164(2012)43-53

近年、液体等の物質の屈折率や濃度等を精度よく高感度に測定し得るセンサが望まれている。例えば、自動車産業等において、ガソリンとエタノール等のアルコールとの混合燃料におけるガソリン及びアルコールの混合割合を精度よく高感度に測定し得る安価なセンサが望まれている。

しかるに、前記特許文献１、あるいは、非特許文献１に見られる如きセンサでは、液体などの物質の屈折率や濃度等の特性を高感度に計測する上では、不十分なものであった。

本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、物質の屈折率や濃度等の特性を高感度に測定することを可能とする光ファイバセンサ装置を提供することを目的とする。

また、かかる光ファイバセンサ装置を容易に製造することができる方法を提供することを目的とする。

また、物質の屈折率や濃度等の特性を安価なシステム構成で実現できる測定システムを提供することを目的とする。

本発明の光ファイバセンサ装置は、上記目的を達成するために、コア及びクラッドを有する光伝送部と該光伝送部のコア及びクラッドに各々連なるコア及びクラッドを有するヘテロコア部とを備え、該ヘテロコア部が、前記光伝送部のコアよりも小径のコアを有する光ファイバと、前記ヘテロコア部のクラッドの外周面に固着された金ナノ粒子とを備え、前記光伝送部と前記ヘテロコア部とを経由させて前記光ファイバでの光の伝送を行った場合に、前記ヘテロコア部での近赤外域の所定波長の光の吸収度合が、該ヘテロコア部の周囲の物質の屈折率に応じて変化するように構成されており、
さらに、前記金ナノ粒子が固着されたヘテロコア部のクラッドの周囲の物質の屈折率を一定の屈折率に維持した状態で、前記光ファイバでの光の伝送を行った場合における該光の伝送強度の減衰度合いをＸと定義し、前記ヘテロコア部のクラッドの外周面に前記金ナノ粒子が固着されておらず、且つ、前記ヘテロコア部の周囲の物質の屈折率を前記一定の屈折率に維持した状態で、前記光ファイバでの光の伝送を行った場合における該光の伝送強度の減衰度合いをＸ０と定義したとき、前記金ナノ粒子は、前記Ｘ０に対する前記Ｘの比率が１／１００以下となる密度で、前記ヘテロコア部のクラッドの外周面に固着されていることを特徴とする（第１発明）。

ここで、本願発明者の各種実験、検討によって、前記ヘテロコア部のクラッドの外周面に金ナノ粒子を固着させた構造の光ファイバセンサ装置では、前記光伝送部から前記ヘテロコア部のクラッドに進入する光が該クラッドの外周面の金ナノ粒子に作用するこで励起される局在表面プラズモン共鳴に起因して、前記ヘテロコア部での所定波長の光の吸収度合（ひいては、前記光ファイバでの所定波長の光の伝送強度の減衰度合）が、ヘテロコア部のクラッドの周囲の屈折率の変化に対して、前記特許文献１，２に見られる如き従来のセンサ装置に比して大幅に高感度なものとなることが判明した。
さらに、本願発明者の各種実験、検討によれば、前記ヘテロコア部のクラッドの外周面に固着された金ナノ粒子の密度（単位面積当たりの金ナノ粒子の個数）が大きいほど、Ｘ０に対する前記Ｘの比率が減少する傾向がある。そして、該比率が１／１００以下となる状態は、ヘテロコア部のクラッドの外周面に固着されている金ナノ粒子の密度が高密度となっている状態である。
このような状態では、ヘテロコア部での光の吸収度合は、近赤外域の波長において、ヘテロコア部の周囲の物質の屈折率の変化に対して顕著に高感度なものとなることが本願発明者の各種、実験、検討により判明した。

そこで、本発明の光ファイバセンサ装置は、上記の如く構成した。これにより、本発明の光ファイバセンサ装置によれば、光ファイバでの近赤外域の波長の光の伝送強度の減衰度合を計測することで、ヘテロコア部の周囲の物質の屈折率や濃度等の特性を高感度に測定することが可能となる。
ここで、近赤外域の光は、可視光域の光に比べて、光ファイバの単位距離当たりの伝送強度の減衰が小さい。また、近赤外域の光は、一般に普及しているフォトダイオード等の安価な受光素子により検出できる。
このため、本発明の光ファイバセンサ装置を使用することで、ヘテロコア部の周囲の物質の屈折率等の特性を測定するための安価な測定システムを構築することができる。また、光ファイバの必要長が長くなる環境下でも、ヘテロコア部の周囲の物質の屈折率等の特性を高感度に測定し得る測定システムを構築することができる。

補足すると、ヘテロコア部の周囲の物質が、例えば２種類以上の物質の混合物質である場合、該混合物質の屈折率は、一般に、該混合物質を構成する組成物質の濃度に応じて変化する。このため、ヘテロコア部での光の吸収度合は、該ヘテロコア部の周囲の物質の濃度に応じて変化し得る。従って、本発明の光ファイバセンサ装置は、物質の屈折率に限らず、該屈折率に影響を及ぼす物質の濃度等の他の特性を高感度に測定し得る装置としても利用できる。

また、本発明の測定システムは、前記第１発明の光ファイバセンサ装置と、前記所定波長の光を少なくとも含む光を前記光ファイバに入射する光源と、前記光ファイバから出射する前記所定波長の光の強度を検出する光検出器とを備え、該光検出器の出力に基づいて前記ヘテロコア部のクラッドの周囲に存在する物質の特性を測定することを特徴とする（第２発明）。

この第２発明の測定システムによれば、ヘテロコア部の周囲の物質の屈折率等の特性を、前記光検出器の出力を用いて高感度に測定できる。そして、前記光検出器は、前記所定波長の光の強度を検出し得るものでよいので、フォトダイオード等の一般に普及している安価な受光素子を使用できる。このため、測定システムを安価に構成できる。

さらに、第２発明の測定システムでは、光ファイバの単位長当たりの近赤外域の波長の光の減衰度合が可視光域の波長の光に比べて比較的小さいことから、光源と光検出器との間の光ファイバの必要長が長いものとなる環境下でも、ヘテロコア部の周囲の物質の屈折率等の特性を、高感度に測定できる。

上記第２発明の測定システムは、前記物質が、ガソリンとアルコールとの混合燃料であり、該混合燃料におけるガソリン及びアルコールの混合割合を測定するシステムである場合に好適である（第３発明）。

ここで、前記混合燃料の屈折率は、該混合燃料におけるガソリン濃度の増加（アルコール濃度の減少）に伴い増加する。従って、第３発明によれば、前記混合燃料におけるガソリン及びアルコールの混合割合を、前記光検出器の出力に基づいて高感度に測定することができる。

また、本発明の光ファイバセンサ装置の製造方法は、前記第１発明の光ファイバセンサ装置の製造方法であって、前記Ｘ０に対する前記Ｘの比率が飽和した状態となるまで、前記光ファイバのヘテロコア部を金ナノ粒子の懸濁液に浸漬させることにより、該ヘテロコア部のクラッドの外周面に前記金ナノ粒子を固着させたことを特徴とする（第４発明）。

ここで、本願発明者の各種実験、検討によれば、前記Ｘ０に対する前記Ｘの比率が飽和した状態となるまで、前記光ファイバのヘテロコア部を金ナノ粒子の懸濁液に浸漬させた場合に、前記比率が１／１００以下となるような密度で、前記ヘテロコア部のクラッドの外周面に金ナノ粒子を固着させることができる。

従って、第４発明の製造方法によれば、前記第１発明の光ファイバセンサ装置を容易に製造することができる。

本発明の一実施形態の光ファイバセンサ装置の構成を示す図。 本発明の一実施形態の測定システムの構成を示す図。 （ａ），（ｂ）は実施形態の光ファイバセンサ装置を使用した検証試験１の測定データを示すグラフ。 （ａ），（ｂ）は実施形態の光ファイバセンサ装置を使用した検証試験２の測定データを示すグラフ。 （ａ），（ｂ）は実施形態の光ファイバセンサ装置を使用した検証試験３の測定データを示すグラフ。 本発明の測定システムの他の実施形態の構成を示す図。

本発明の一実施形態を図１〜図５を参照して以下に説明する。

図１に示すように、本実施形態の光ファイバセンサ装置１は、所定長のヘテロコア部３を構成する光ファイバ２ａの軸方向両端に、光伝送部４，４を構成する光ファイバ２ｂ，２ｂを連接した構造の光ファイバ２と、ヘテロコア部３の外周面に固着された複数の金ナノ粒子１０とを備える。

光伝送部４を構成する各光ファイバ２ｂは、マルチモード光ファイバにより構成され、一定径（例えば５０μｍ）のコア５ｂとその外周のクラッド６ｂとを有する。

ヘテロコア部３を構成する光ファイバ２ａは、シングルモード光ファイバにより構成され、光伝送部４のコア５ｂよりも小さい一定径（例えば３μｍ）のコア５ａとその外周のクラッド６ａとを有する。

光伝送部４，４を構成する光ファイバ２ｂ，２ｂは、ヘテロコア部３を構成する光ファイバ２ａの軸方向両端に、融着等により同軸心に接合されている。これにより、ヘテロコア部３のコア５ａ及びクラッド６ａは、各々、各光伝送部４のコア５ｂ、クラッド６ｂに連なっている。

なお、本実施形態では、ヘテロコア部３のコア５ａの径は一定であるが、該コア５ａの径は一定でなくてもよい。例えば、該コア５ａの径は、ヘテロコア部３の両端寄りの部分で、徐々に変化する（光伝送部４から遠ざかるに伴い徐々に縮径する）ように形成されていてもよい。

金ナノ粒子１０は、ヘテロコア部３のクラッド６ａの外周面に固着されている。この固着は、例えば以下の手法によって行われる。

まず、光ファイバ２のヘテロコア部３の外周面をシランカップリング剤を用いて表面処理することで、該ヘテロコア部３の外周面にアミノ基を導入する。

次いで、このヘテロコア部３を粒径が５ｎｍ〜１００ｎｍの金ナノ粒子１０を含む懸濁液（コロイド）に浸漬する。これにより、ヘテロコア部３のクラッド６ａの外周面に粒径が５ｎｍ〜１００ｎｍの複数の金ナノ粒子１０が固着される。

この場合、ヘテロコア部３を上記懸濁液に浸漬させる時間が長いほど、より多くの金ナノ粒子１０がヘテロコア部３のクラッド６ａの外周面に固着される。従って、ヘテロコア部３を上記懸濁液に浸漬させる時間を適宜調整することで、ヘテロコア部３のクラッド６ａの外周面に固着される金ナノ粒子１０の密度（単位面積あたりの金ナノ粒子１０の個数）を調整できる。

上記懸濁液は、例えば、クエン酸、Ｌ−アスコルビン酸、タンニン酸、水素化ホウ素ナトリウム、あるいは、水素化アルミニウムリチウム等の還元剤を用いて塩化金酸を還元することで作製される。なお、懸濁液中の金ナノ粒子１０の粒径、ひいては、ヘテロコア部３のクラッド６ａの外周面に固着させる金ナノ粒子１０の粒径は揃っていなくてもよい。

本実施形態の光ファイバセンサ装置１は、上記如く構成されている。

次に、本実施形態の光ファイバセンサ装置１を使用した測定システムの例を図２を参照して説明する。

図２に示す測定システム２０は、前記ヘテロコア部３を備える光ファイバ２に入射する光を出力する光源２１と、光ファイバ２から出射する光を受光する光検出器２２とを備える。

光源２１は、光ファイバ２の光伝送部４，４のうちの一方側の一端に接続される。この光源２１としては、例えば多波長光としての白色光を出力する白色光源もしくは多波長光源、あるいは、所定波長のレーザ光を出力するレーザ光源が使用される。

光検出器２２は、光ファイバ２の光伝送部４，４のうちの他方側の他端に接続される。この光検出器２２としては、例えばスペクトルアナライザ（分光器）、あるいは、所定波長もしくはその近辺の波長の光の受光強度に応じた出力を発生する受光素子等が使用される。

なお、図示の測定システム２０では、光検出器２２は、パーソナルコンピュータ等のコンピュータ２３に接続されている。そして、該光検出器２２の計測データをコンピュータ２３にに取り込んで、データ解析等を行うことが可能となっている。

また、光ファイバ２の中間部のヘテロコア部３の軸心方向の両端部分は治具２４に装着される。この治具２４を動かすことで、ヘテロコア部３を測定対象の液体中に浸漬させたり、測定対象の気体中に移動させることが可能となっている。

かかる測定システム２０による測定は次のように行われる。すなわち、光ファイバセンサ装置１のヘテロコア部３をその周囲に測定対象の物質が存在するように配置する。例えば、測定対象の物質が液体である場合には、ヘテロコア部３を該液体に浸漬させる。また、測定対象の物質が気体である場合には、ヘテロコア部３を該気体の雰囲気中に配置する。

この状態で、光源２１から光ファイバ２の一端に光を入射する。

光ファイバ２にその一端から入射した光は、光源２１側の光伝送部４のコア５ｂを通ってヘテロコア部３に進入し、該ヘテロコア部３を経由した後、光検出器２２側の光伝送部４のコア５ｂを通って光ファイバ２の他端から出射する。そして、光ファイバ２の他端から出射した光が光検出器２２で受光され、該光検出器２２により、出射光の強度、スペクトル分布（波長分布）等が測定される。

ここで、光源２１側の光伝送部４のコア５ｂからヘテロコア部３に進入する光の一部は、ヘテロコア部３のクラッド６ａに進入し、該クラッド６ａを光検出器２２側の光伝送部４に向かって伝播する。

そして、ヘテロコア部３のクラッド６ａに進入した光のうち、該クラッド６ａの外周面で全反射する光は、該クラッド６ａの外周面（界面）の金ナノ粒子１０に近接場光として作用することで、該クラッド６ａの外周面において局在表面プラズモン共鳴（以降、ＬＳＰＲという）が励起される。このＬＳＰＲの励起により、ヘテロコア部３を通る所定波長及びその近辺の波長の光のエネルギーが吸収される。

この場合、ＬＳＰＲに起因する所定波長の光の吸収度合い、ひいては、光ファイバ２での所定波長の光の伝送強度の減衰度合いは、ヘテロコア部３の周囲の物質の屈折率に応じたものとなる。また、ヘテロコア部３の周囲の物質が、例えば、複数の物質の混合物質である場合、該混合物質の屈折率は、一般に該混合物質を組成する物質の含有割合に応じて変化する。

このため、光ファイバ２における所定波長の光の伝送強度の減衰度合い（光ファイバ２の入射光の強度に対する出射光の強度の比率）は、ヘテロコア部３の周囲の物質の屈折率あるいは濃度等の特性に応じたものとなる。そして、本実施形態の構造の光ファイバセンサ装置１では、ヘテロコア部３の周囲の物質の屈折率に応じた光の伝送強度の減衰度合いの変化の感度が高いものとなる。

従って、光ファイバセンサ装置１は、ヘテロコア部３の周囲の物質の屈折率等の特性を測定するためのセンサとして使用することができる。

以下に、光ファイバセンサ装置１の特性に関する検証試験について説明する。

［検証試験１］
光ファイバセンサ装置１を作製するにあたって、ヘテロコア部３のクラッド６ａの外周面に金ナノ粒子１０を固着させるために、金ナノ粒子１０を含む前記懸濁液にヘテロコア部３を浸漬させる時間を異ならせた複数の光ファイバセンサ装置１を作製した。

そして、当該浸漬時間が異なる各光ファイバセンサ装置１について、そのヘテロコア部３を一定の屈折率を有する気体としての空気中に配置した状態で、前記測定システム２０により、光ファイバ２の出射光のスペクトル（波長分布）を測定した。その測定結果を、図３（ａ）及び図３（ｂ）のグラフに示す。なお、この場合、測定システム２０の光源２１として白色光源を使用し、光検出器２２としてスペクトルアナライザ（分光器）を使用した。

図３（ａ）は、前記浸漬時間を異ならせた光ファイバセンサ装置１について、光の波長と、光ファイバ２の光の伝送強度の相対減衰度合いとの関係を示すグラフ、図３（ｂ）は、所定波長（５４０ｎｍ）における光の伝送強度の相対減衰度合いと、前記浸漬時間との関係を示すグラフである。

ここで、上記相対減衰度合いは、ヘテロコア部３のクラッド６ａの外周面に金ナノ粒子を固着していない状態での光の伝送強度の減衰度合いを基準とする相対減衰度合いである。

より詳しくは、ヘテロコア部３のクラッド６ａの外周面に金ナノ粒子を固着していない状態での光の伝送強度の減衰度合い（光ファイバ２の入射光の強度に対する出射光の強度の比率）をＸ０、ヘテロコア部３のクラッド６ａの外周面に金ナノ粒子が固着した状態の光ファイバセンサ装置１における光の伝送強度の減衰度合いをＸとしたとき、上記相対減衰度合いは、Ｘ／Ｘ０である。

なお、本実施形態の説明では、上記相対減衰度合をデシベル単位で表わす。この場合、Ｘ／Ｘ０の比率で表される相対減衰度合を、デシベル単位で表したものは、１０・log(Ｘ／Ｘ０）である。

図３（ａ）に示されるように、相対減衰度合いの大きさ（絶対値）は、前記浸漬時間を異ならせたいずれの光ファイバセンサ装置１についても、ほぼ所定波長（５４０ｎｍの波長）の近辺でピーク値となる。

また、図３（ｂ）に示されるように、相対減衰度合いの大きさ（絶対値）がピーク値となる５４０ｎｍの波長での相対減衰度合いの大きさは、基本的には、前記浸漬時間が長くなるほど、大きくなる。これは、前記浸漬時間が長いほど、ヘテロコア部３のクラッド６ｂの外周面に固着する金ナノ粒子１０の密度（単位面積当たりの個数）が高まり、ひいては、ＬＳＰＲに起因する所定波長（ここでは、５４０ｎｍの波長）の光の吸収度合いが高まるためと考えられる。

ただし、上記相対減衰度合いの大きさは、前記浸漬時間が概ね１５分を超えると、飽和する。これは、前記浸漬時間が概ね１５分を超えると、ヘテロコア部３のクラッド６ｂの外周面への金ナノ粒子１０の固着が飽和するためと考えられる。この飽和状態での、相対減衰度合いは、約−２０ｄＢ（Ｘ／Ｘ０＝１／１００）である。従って、相対減衰度合（Ｘ／Ｘ０）が１／１００以下となった状態は、該相対減衰度合が飽和した状態（換言すれば、ヘテロコア部３のクラッド６ａの外周面への金ナノ粒子１０の固着が飽和した状態）とみなすことができる。以降、このように相対減衰度合いが飽和した状態を、金ナノ粒子１０の固着飽和状態ということがある。

［検証試験２］
次に、前記浸漬時間を、前記相対減衰度合いが、金ナノ粒子１０の固着飽和状態における相対減衰度合い（≒−２０ｄＢ）の約８０％の相対減衰度合い（≒−１７ｄＢ）に達するまでの時間とした光ファイバセンサ装置１を作製した。そして、この光ファイバセンサ装置１のヘテロコア部３をガソリン及びエタノールの混合燃料に浸漬させた状態（ヘテロコア部３の周囲の物質を混合燃料とした状態）で、前記測定システム２０により、光ファイバ２の出射光のスペクトル（波長分布）を測定した。

この場合、上記混合燃料におけるガソリン及びエタノールの混合割合（ひいては、ガソリン濃度及びエタノール濃度）を複数の値に変化させて測定を行った。その測定結果を、図４（ａ）及び図４（ｂ）のグラフに示す。なお、この場合、光源２１として白色光源を使用し、光検出器２２としてスペクトルアナライザ（分光器）を使用した。

図４（ａ）は、前記混合割合を異ならせた各混合燃料毎の測定における光の波長と、光ファイバ２の光の伝送強度の相対減衰度合いとの関係を示すグラフ、図４（ｂ）は、所定波長（５４５ｎｍ）における光の伝送強度の相対減衰度合いと、前記混合割合に対応するガソリン濃度との関係を示すグラフである。

図４（ａ）に示されるように、相対減衰度合いの大きさ（絶対値）は、前記混合割合を異ならせたいずれの混合燃料についても、ほぼ所定波長（５４５ｎｍの波長）の近辺でピーク値となる。

また、図４（ｂ）に示されるように、相対減衰度合いの大きさ（絶対値）がほぼピーク値となる５４５ｎｍの波長での相対減衰度合いの大きさは、混合燃料のガソリン濃度が高くなるほど（換言すれば、混合燃料のエタノール濃度が低くなるほど）、大きくなる。

ここで、ガソリン及びエタノールの混合燃料の屈折率は、ガソリンの濃度が高くなるほど、増加する。従って、ヘテロコア部３の周囲の混合燃料のガソリン濃度が高くなるほど、光の伝送強度の相対減衰度合いが大きくなるということは、ヘテロコア部３の周囲の混合燃料の屈折率が大きいほど、光の伝送強度の相対減衰度合いが大きくなるということに相当する。

この場合、混合燃料のガソリン濃度が、０％から１００％まで変化すると、相対減衰度合いは、１１ｄＢ程度変化する。すなわち、光ファイバ２における光の伝送強度の相対減衰度合い（Ｘ／Ｘ０）は、混合燃料のガソリン濃度が０％である場合と、１００％である場合とで１０倍以上変化する。

従って、ガソリン及びエタノールの混合燃料の混合割合（あるいはガソリン濃度、あるいは、エタノール濃度）を、検証試験２で作製した光ファイバセンサ装置１を使用して高感度に測定できることが判る。このため、検証試験２で作製した光ファイバセンサ装置１は、上記混合燃料の混合割合（あるいはガソリン濃度、あるいは、エタノール濃度）を検出するためのセンサとして利用できる。

このように、混合燃料の混合割合を検出するためのセンサとして光ファイバセンサ装置１を使用した場合、例えば、該混合燃料により運転可能な内燃機関の運転制御（燃料噴射量の制御等）を、該混合燃料の混合割合の検出値に応じて行うことができる。

また、この場合、５４５ｎｍ付近の波長の光に対して、相対減衰度合いが混合燃料の混合割合に応じて高感度に変化することから、光ファイバ２の出射光の強度を検出する光検出器２２は、スペクトルアナライザ等の分光器でなくてもよく、５４５ｎｍ付近の一定波長の光を検出し得るフォトダイオード等の一般に普及している受光素子でよい。従って、測定システム２０を安価に構成できる。

［検証試験３］
次に、前記金ナノ粒子１０の固着飽和状態となるまで（前記相対減衰度合Ｘ／Ｘ０が飽和するまで）前記懸濁液にヘテロコア部３を浸漬させた光ファイバセンサ装置１を作製した。そして、この光ファイバセンサ装置１のヘテロコア部３を、前記検証試験２の場合と同様に、ガソリン及びエタノールの混合燃料に浸漬させた状態で、前記測定システム２０により、光ファイバ２の出射光のスペクトル（波長分布）を測定した。

この場合、上記混合燃料におけるガソリン及びエタノールの混合割合（ひいては、ガソリン濃度及びエタノール濃度）を複数の値に変化させて測定を行った。その測定結果を、図５（ａ）及び図５（ｂ）のグラフに示す。なお、この場合、測定システム２０の光源２１として白色光源を使用し、光検出器２２としてスペクトルアナライザ（分光器）を使用した。

図５（ａ）は、前記混合割合を異ならせた各混合燃料毎の測定における光の波長と、光ファイバ２の光の伝送強度の相対減衰度合いとの関係を示すグラフ、図５（ｂ）は、３種類の所定波長（４１５ｎｍ、５８０ｎｍ、９００ｎｍ）における光の伝送強度の相対減衰度合いと、前記混合割合に対応するガソリン濃度との関係を示すグラフである。

図５（ａ）に示されるように、相対減衰度合いの大きさ（絶対値）は、前記混合割合を異ならせたいずれの混合燃料についても、概ね４１５ｎｍ、５８０ｎｍ、９００ｎｍの３種類の所定波長の近辺でピーク値となる。

この場合、検証試験３で作製した光ファイバセンサ装置１は、前記検証試験２で作製した光ファイバセンサ装置１よりも、ヘテロコア部３のクラッド６ａの外周面に高密度で金ナノ粒子１０が固着されているため、光の伝送時に、相互に近接した金ナノ粒子１０間で強い電場が発生する。このことに起因して、検証試験３で作製した光ファイバセンサ装置１での光の伝送強度の相対減衰度合いのスペクトル特性（波長分布特性）は、前記検証試験２で作製した光ファイバセンサ装置１と比較的大きく相違するものとなっていると考えられる。

また、検証試験３で作製した光ファイバセンサ装置１では、図５（ｂ）に示されるように、相対減衰度合いの大きさ（絶対値）がほぼピーク値となる４１５ｎｍの波長、あるいは、５８０ｎｍの波長、あるいは、９００ｎｍの波長での相対減衰度合いの大きさは、基本的には、混合燃料のガソリン濃度が高くなるほど（換言すれば、混合燃料のエタノール濃度が低くなるほど、あるいは、混合燃料の屈折率が大きいほど）、大きくなる。

ここで、図５（ａ）と前記検証試験２に関する図４（ａ）とを比較して判るように、ヘテロコア部３への金ナノ粒子１０の固着が前記固着飽和状態に達していない状態の光ファイバセンサ装置１（検証試験２で作製した光ファイバセンサ装置１）では、５８０ｎｍ付近の波長では、混合燃料の混合割合に対する相対減衰度合いの感度が比較的高いものとなるが、金ナノ粒子１０の固着飽和状態となっている光ファイバセンサ装置１（検証試験３で作製した光ファイバセンサ装置１）では、５８０ｎｍ付近の波長では、混合燃料の混合割合に対する相対減衰度合いの変化の感度が比較的低いものとなる。

一方、ヘテロコア部３への金ナノ粒子１０の固着が前記固着飽和状態に達していない状態の光ファイバセンサ装置１（検証試験２で作製した光ファイバセンサ装置１）では、近赤外域の波長である９００ｎｍの波長では、混合燃料の混合割合に対する相対減衰度合いの変化の感度が低いのに対して、金ナノ粒子１０の固着飽和状態となっている光ファイバセンサ装置１（検証試験３で作製した光ファイバセンサ装置１）では、９００ｎｍ付近の波長では、混合燃料の混合割合に対する相対減衰度合いの変化の感度が高いものとなる。

具体的には、検証試験３で作製した光ファイバセンサ装置１では、９００ｎｍ付近の波長での相対減衰度合いの大きさは、混合燃料のガソリン濃度が、０％から１００％まで変化すると、１１ｄＢ程度変化する。すなわち、光ファイバ２における近赤外域の光の伝送強度の減衰度合い（Ｘ／Ｘ０）は、混合燃料のガソリン濃度が０％である場合と、１００％である場合とで１０倍以上変化する。

従って、ガソリン及びエタノールの混合燃料の混合割合（あるいはガソリン濃度、あるいは、エタノール濃度）を、検証試験３で作製した光ファイバセンサ装置１を使用して高感度に測定できることが判る。このため、検証試験３で作製した光ファイバセンサ装置１は、上記混合燃料の混合割合（あるいはガソリン濃度、あるいは、エタノール濃度）を検出するためのセンサとして利用できる。

また、この場合、特に、近赤外域の波長の光に対して、相対減衰度合いが混合燃料の混合割合に応じて高感度に変化することから、光ファイバ２の出射光の強度を検出する光検出器２２は、スペクトルアナライザ等の分光器でなくてもよく、近赤外域の一定波長の光を検出し得る受光素子を使用できる。そして、このような受光素子は、一般に広く普及している。従って、測定システム２０を安価に構成できる。

さらに、近赤外域の波長の光は、それよりも低い波長（例えば４１５ｎｍ、５８０ｎｍ等）の光に比べて、光ファイバ２の光伝送部４での減衰が生じにくいために、該光伝送部４での単位長当たりの光の減衰度合が小さい。このため、光ファイバ２の必要長が比較的長いものとなる測定システム２０においても、前記混合燃料の混合割合、あるいは、ヘテロコア部３の周囲の物質の屈折率などを高感度に測定することができる。

以上の如く、本実施形態の光ファイバセンサ装置１によれば、ヘテロコア部３のクラッド６ａの外周面に、金ナノ粒子１０を固着させたことによって、光ファイバ２で光の伝送を行った場合に、ある所定波長での光の伝送強度の相対減衰度合が、ヘテロコア部３の周囲の物質の屈折率に応じて高感度に変化する。このため、該物質の屈折率、あるいは、該屈折率を規定する濃度等の特性を、光ファイバ２から出射する所定波長の光の強度を検出する光検出器２２の出力に基づいて高感度に測定することができる。

また、所定波長の光の強度を検出し得る比較的安価な光検出器２２を使用して測定システム２０を構成できるので、該測定システム２０を安価に構成できる。

また、特に、ヘテロコア部３のクラッド６ａの外周面に、金ナノ粒子１０を固着飽和状態まで固着させた場合には、近赤外域の波長において、光の伝送強度の相対減衰度合が、ヘテロコア部３の周囲の物質の屈折率に応じて高感度に変化する。

このため、ヘテロコア部３の周囲の物質の屈折率、あるいは、該屈折率を規定する濃度等の特性を高感度に測定し得る測定システム２０を安価に構成できるだけでなく、光ファイバ２の必要長が比較的長いものとなる場合でも、ヘテロコア部３の周囲の物質の屈折率あるいは濃度等を、高出力の光源２１等を使用せずとも適切に測定できる。

なお、以上説明した実施形態では、測定対象の物質の一例として、ガソリン及びエタノールの混合燃料を例示したが、ガソリンとエタノール以外のアルコール（メタノール等）との混合燃料の混合割合（あるいはガソリン濃度、あるいは、アルコール濃度）を、前記実施形態の光ファイバセンサ装置１を使用した測定システム２０により高感度に測定することもできる。

また、前記実施形態では、ヘテロコア部３を中間部に備える光ファイバ２の一端から他端まで光を伝送する測定システム２０を例示したが、例えば、図６に示す如く測定システムを構成してもよい。

図６に示す測定システム３０では、光ファイバセンサ装置１のヘテロコア部３を構成する光ファイバ２ａの一端に光伝送部４を構成する光ファイバ２ｂが連接される一方、ヘテロコア部３を構成する光ファイバ２ａの他端部には、反射鏡７が装着されている。そして、光伝送部４を構成する光ファイバ２ｂは、カプラ２５を介して光源２１と、光検出器２２とに接続されている。

このように構成された測定システム３０では、光源２１から光ファイバ２ｂにカプラ２５を介して入射される光は、光ファイバ２ｂからヘテロコア部３に進入した後、反射鏡７で反射されて光ファイバ２ｂに戻る。そして、この戻り光は、カプラ２５を経由して光検出器２２で受光される。

かかる測定システム３０においても、光検出器２２で受光される所定波長の光の強度は、ヘテロコア部３の周囲の物質の屈折率に応じて高感度に変化する。このため、ヘテロコア部３の周囲の物質の屈折率、あるいは、これを規定する濃度等を光検出器２２で受光される所定波長の光の強度に基づいて高感度に測定することができる。

１…光ファイバセンサ装置、２，２ａ，２ｂ…光ファイバ、３…ヘテロコア部、４…光伝送部、５ａ，５ｂ…コア、６ａ，６ｂ…クラッド、１０…金ナノ粒子、２０…測定システム、２１…光源、２２…光検出器。

Claims (4)

1. コア及びクラッドを有する光伝送部と、該光伝送部のコア及びクラッドに各々連なるコア及びクラッドを有するヘテロコア部とを備え、該ヘテロコア部が、前記光伝送部のコアよりも小径のコアを有する光ファイバと、
   前記ヘテロコア部のクラッドの外周面に固着された金ナノ粒子とを備え、
   前記光伝送部と前記ヘテロコア部とを経由させて前記光ファイバでの光の伝送を行った場合に、前記ヘテロコア部での近赤外域の所定波長の光の吸収度合が、該ヘテロコア部の周囲の物質の屈折率に応じて変化するように構成されており、
   さらに、前記金ナノ粒子が固着されたヘテロコア部のクラッドの周囲の物質の屈折率を一定の屈折率に維持した状態で、前記光ファイバでの光の伝送を行った場合における該光の伝送強度の減衰度合いをＸと定義し、前記ヘテロコア部のクラッドの外周面に前記金ナノ粒子が固着されておらず、且つ、前記ヘテロコア部の周囲の物質の屈折率を前記一定の屈折率に維持した状態で、前記光ファイバでの光の伝送を行った場合における該光の伝送強度の減衰度合いをＸ０と定義したとき、前記金ナノ粒子は、前記Ｘ０に対する前記Ｘの比率が１／１００以下となる密度で、前記ヘテロコア部のクラッドの外周面に固着されていることを特徴とする光ファイバセンサ装置。
2. 請求項１記載の光ファイバセンサ装置と、前記所定波長の光を少なくとも含む光を前記光ファイバに入射する光源と、前記光ファイバから出射する前記所定波長の光の強度を検出する光検出器とを備え、該光検出器の出力に基づいて前記ヘテロコア部のクラッドの周囲に存在する物質の特性を測定することを特徴とする測定システム。
3. 請求項２記載の測定システムにおいて、前記物質は、ガソリンとアルコールとの混合燃料であり、該混合燃料におけるガソリン及びアルコールの混合割合を測定することを特徴とする測定システム。
4. 請求項１記載の光ファイバセンサ装置の製造方法であって、
   前記Ｘ０に対する前記Ｘの比率が飽和した状態となるまで、前記光ファイバのヘテロコア部を金ナノ粒子の懸濁液に浸漬させることにより、該ヘテロコア部のクラッドの外周面に前記金ナノ粒子を固着させたことを特徴とする光ファイバセンサ装置の製造方法。