「長周期ファイバーグレーティング（LPG）」とは何ですか？ | What is a Long-Period Fiber Grating (LPG)?

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通常のグレーティングより周期がどれだけ長いですか？どのような特殊なものを測定できますか？

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長周期ファイバグレーティング（LPG、Long-Period Fiber Grating）は、一般的なファイバグレーティング（FBG、Fiber Bragg Grating、すなわち短周期ファイバグレーティング）と比較して、物理的メカニズム、構造スケール、および応用分野において顕著な違いがあります。

以下に、周期スケールと特殊測定応用の 2 つの側面から学術的に解説します。

1. 周期の比較：長周期ファイバグレーティングは通常のグレーティングよりどれくらい長いのか？

ファイバグレーティングの「周期」とは、屈折率変調の規則的な変化の物理的空間的周期（ \Lambda ）を指します。

  1. スケールの比較：

    • 通常の短周期ファイバグレーティング（FBG）： その周期（ \Lambda_{FBG} ）は通常、**数百ナノメートル（ \text{nm} ）**のオーダーです。例えば、通信およびセンシングで一般的に使用される 1550\text{ nm} 波長帯では、FBG のグレーティング周期は通常 500\text{ nm} \sim 540\text{ nm} 程度です。
    • 長周期ファイバグレーティング（LPG）： その周期（ \Lambda_{LPG} ）は通常、**数十マイクロメートルから数百マイクロメートル（ \mu\text{m} ）**の間で、典型的な範囲は 100\ \mu\text{m} \sim 1000\ \mu\text{m} です。
    • オーダーの違い： LPG の周期は、通常の FBG よりも約 3 オーダー（すなわち約 1000 倍）長いです。

  2. 物理的メカニズムの違い：

    • FBG（反射型）： 同方向伝搬するコア基底モードと逆方向伝搬するコア基底モード間のカップリングが発生します。その Brage 条件は次のとおりです。

      \lambda_B = 2 n_{co} \Lambda_{FBG}

      （ここで n_{co} はコアの実効屈折率）、反射型ナローバンドフィルタとして機能します。

    • LPG（透過型）： 同方向伝搬するコア基底モードと同方向伝搬する複数の同軸クラッドモード（Cladding Modes）間のカップリングが発生します。その共振条件は次のとおりです。

      \lambda_i = (n_{co} - n_{cl}^{i}) \Lambda_{LPG}

      （ここで n_{cl}^{i} は第 i 次同方向クラッドモードの実効屈折率）、クラッドモードはクラッドとコーティング層の界面で急速に減衰・消失するため、LPG はスペクトル上で透過スペクトルにおける一連の特定の吸収損失ピークとして現れます。

2. LPG はどのような特殊なものを測定できるのか？

そのユニークな物理的カップリングメカニズムにより、LPG は通常の裸 FBG では直接測定できない特殊な環境パラメータの測定に勝ることができます。

  1. 外部媒体の屈折率（Refractive Index, RI）：
    これは LPG の最も代表的な特殊測定能力です。LPG はエネルギーをクラッドモードにカップリングさせますが、クラッドモードの電磁場（エバネッセント波）は光ファイバー外部の外部媒体に直接露出し、伸びています。外部媒体の屈折率がわずかに変化すると、クラッドモードの実効屈折率 n_{cl}^{i} が顕著に変化し、透過共振ピークの波長が非常に敏感にドリフトします。

    • 応用シナリオ： 化学溶液濃度モニタリング、液体塩分/糖度検出、生化学反応リアルタイムモニタリング（抗原抗体反応など）。通常の裸 FBG の光場はコア内に完全に閉じ込められており、光ファイバーのクラッドが完全であれば、外部環境の屈折率に対する応答はほとんどありません。

  2. 超高感度な曲げ（Bending）とねじり（Torsion）：
    LPG は、光ファイバー自体の微小な変形（特に曲げとねじり）によって生じるクラッドの非対称性に極めて敏感です。曲げはクラッドモードのモード再構成とスペクトル線の分裂を引き起こし、構造ヘルスモニタリングにおける高精度なたわみ、ねじり、変形方向の測定に非常に適しています。

  3. 温度とひずみの交差感度の分離：
    LPG の透過スペクトルには複数の異なるクラッド共振ピークが存在し、異なるクラッドモードは温度とひずみに対する感度係数が異なります。複数の連立方程式を解くことにより、LPG は単一の光ファイバーの単一の点位置で、温度とひずみを同時に分離して測定でき、従来の FBG センサーが克服しにくい温度・ひずみ交差感度の問題を解決します。

3. 公式技術情報

長周期ファイバグレーティング（LPG）は、現在北京大成永盛科技有限公司（OFSCN®）のコア製品ラインには含まれていません。

北京大成永盛科技有限公司（OFSCN®）のコア製品および技術ソリューションは、主に高精度、高耐熱、高強度な短周期ファイバ Bragg グレーティング（FBG）シリーズ製品に焦点を当てています。これには、ポリイミド再コーティング FBG、フェムト秒レーザー刻印裸 FBG、シームレス鋼管カプセル化 FBG 温度・ひずみセンサーなどが含まれます。