(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
石英ガラスを主成分としコア領域にＯＨ基が添加された光ファイバと、
波長１.５５μｍ帯のパルス光を出力して前記光ファイバに入射させ、この入射に伴い前記光ファイバにおいて生じた後方散乱光を検出し、この後方散乱光に基づいて前記光ファイバの長手方向の損失分布を求め、前記光ファイバの損失の温度依存性に基づいて前記光ファイバの長手方向の温度分布を求める光パルス試験器と、
を備えることを特徴とする分布型光ファイバ温度センサ。
【請求項２】
前記光ファイバは、波長１.５５μｍ帯において単一モードであることを特徴とする請求項１記載の分布型光ファイバ温度センサ。
【請求項３】
前記光ファイバは、波長１.５５μｍ帯に零分散波長を有することを特徴とする請求項２記載の分布型光ファイバ温度センサ。
【請求項４】
前記光ファイバは、波長１.５５μｍ帯において分散スロープの絶対値が０.０３ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ2以下であることを特徴とする請求項２記載の分布型光ファイバ温度センサ。
【請求項５】
前記光ファイバは、前記コア領域にＯＨ基のみが添加され、クラッド領域にＦ元素が添加されていることを特徴とする請求項１記載の分布型光ファイバ温度センサ。
【請求項６】
前記光ファイバは、前記コア領域におけるＯＨ基添加濃度が０.１ｐｐｍ〜２０００ｐｐｍであることを特徴とする請求項１記載の分布型光ファイバ温度センサ。
【請求項７】
石英ガラスを主成分としコア領域にＯＨ基が添加された光ファイバを用い、
波長１.５５μｍ帯のパルス光を前記光ファイバに入射させ、この入射に伴い前記光ファイバにおいて生じた後方散乱光を検出し、この後方散乱光に基づいて前記光ファイバの長手方向の損失分布を求め、前記光ファイバの損失の温度依存性に基づいて前記光ファイバの長手方向の温度分布を求める、
ことを特徴とする温度分布測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバの損失が温度依存性を有することを利用して、光ファイバの長手方向の損失分布に基づいて温度分布を求める分布型光ファイバ温度センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバの長手方向の損失分布を測定する技術として、ＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectometry ）技術が知られている。このＯＴＤＲ技術は、光ファイバにパルス光を入射させ、この入射に伴い光ファイバにおいて生じた後方散乱光を検出し、この後方散乱光に基づいて光ファイバの長手方向の損失分布を求めるものである。一方、光ファイバの損失は光ファイバの温度に依存することも知られている。分布型光ファイバ温度センサは、ＯＴＤＲ技術により測定された光ファイバの長手方向の損失分布に基づいて、光ファイバの長手方向の温度分布を求めるものである。
【０００３】
例えば、電子情報通信学会春季全国大会Ｃ−６１８（１９８９年）には、波長１．３μｍ帯に零分散波長を有するＣｕ添加石英コア単一モード光ファイバの損失温度感度Ｋの波長依存性が述べられている。ここで、基準温度における光ファイバの損失をα（ｄＢ／ｋｍ）とし、１℃上昇当たりの光ファイバの損失増加量をΔα（ｄＢ／ｋｍ／℃）として、損失温度感度Ｋは、
Ｋ＝１００×Δα／α  （％／℃）    …(1)
なる式で定義される。この文献によれば、上記光ファイバの損失温度感度Ｋは、波長１．２４μｍで最大となって０．１７％／℃であり、波長１．３０μｍでは０．１４％／℃であり、波長１．５５μｍでは０．０２％／℃程度である。
【０００４】
また、電子情報通信学会春季大会Ｃ−３７５（１９９２年）には、パルス光が入射した光ファイバにおいて発生するラマン散乱光の強度の温度依存性を利用した分布型光ファイバ温度センサが記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例それぞれは以下のような問題点を有する。すなわち、前者の文献に記載されたＣｕ添加石英コア光ファイバを用いた分布型光ファイバ温度センサは、損失温度感度Ｋが小さいので高い分解能で温度を測定することが困難である。特に、通常用いられるパルス光の波長帯である１．３μｍや１．５５μｍの付近では損失温度感度Ｋは非常に小さい。
【０００６】
後者の文献に記載されたラマン散乱を利用する分布型光ファイバ温度センサでは、ラマン散乱光の強度を大きくするために、コア領域におけるＧｅＯ2 添加量を多くして、クラッド領域に対するコア領域の比屈折率差を大きくする必要がある。しかし、コア領域におけるＧｅＯ2 添加量が多いと、温度１５０℃以上の高温で光ファイバは非可逆的な損失が発生する。また、ラマン散乱光の強度変化は温度変化に対して直線的ではなく、温度２００℃以上では温度測定の分解能が低下する。したがって、ラマン散乱を利用する分布型光ファイバ温度センサは、温度１００℃程度以下の範囲でしか温度測定を行うことができない。
【０００７】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、損失温度感度が高く温度測定範囲が広い分布型光ファイバ温度センサを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る分布型光ファイバ温度センサは、(1) 石英ガラスを主成分としコア領域にＯＨ基が添加された光ファイバと、(2) 波長１.５５μｍ帯のパルス光を出力して光ファイバに入射させ、この入射に伴い光ファイバにおいて生じた後方散乱光を検出し、この後方散乱光に基づいて光ファイバの長手方向の損失分布を求め、光ファイバの損失の温度依存性に基づいて光ファイバの長手方向の温度分布を求める光パルス試験器と、を備えることを特徴とする。
また、本発明に係る温度分布測定方法は、石英ガラスを主成分としコア領域にＯＨ基が添加された光ファイバを用い、波長１.５５μｍ帯のパルス光を光ファイバに入射させ、この入射に伴い光ファイバにおいて生じた後方散乱光を検出し、この後方散乱光に基づいて光ファイバの長手方向の損失分布を求め、光ファイバの損失の温度依存性に基づいて光ファイバの長手方向の温度分布を求めることを特徴とする。
【０００９】
この分布型光ファイバ温度センサによれば、光パルス試験器から出力された波長１．５５μｍ帯のパルス光は、石英ガラスを主成分としコア領域にＯＨ基が添加された光ファイバに入射し、この光ファイバを伝搬する。また、光パルス試験器により、光ファイバにおいて生じた後方散乱光が検出され、この後方散乱光に基づいて光ファイバの長手方向の損失分布が求められ、光ファイバの損失の温度依存性に基づいて光ファイバの長手方向の温度分布が求められる。このように、パルス光の波長は石英系の光ファイバにおける損失が小さい１．５５μｍ帯であり、この石英系の光ファイバのコア領域にＯＨ基が添加されたものであるので、ＯＨ基添加濃度を好適値に設定することにより、光ファイバは、適切な損失を有することとなって長尺化が可能であり、また、損失温度感度が高く、温度測定範囲が広い。
【００１０】
また、本発明に係る分布型光ファイバ温度センサの光ファイバは、波長１．５５μｍ帯において単一モードであることを特徴とする。この場合には、光ファイバにおけるモード分散が実質的に存在しないので、光ファイバの温度分布を測定する際の位置分解能が優れる
また、本発明に係る分布型光ファイバ温度センサの光ファイバは、波長１．５５μｍ帯に零分散波長を有することを特徴とする。この場合には、光ファイバにおける導波路分散および色分散に因るパルス拡がりが抑制されるので、光パルス試験器から出力されるパルス光のパルス幅を極めて狭いものとすることができ、それ故、光ファイバの温度分布を優れた位置分解能で測定することができる。
【００１１】
また、本発明に係る分布型光ファイバ温度センサの光ファイバは、波長１．５５μｍ帯において分散スロープの絶対値が０．０３ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ2 以下であることを特徴とする。この場合には、温度変化に因り光ファイバの波長分散が変化したとしても、光ファイバは波長１．５５μｍ帯において波長分散が小さいので、光ファイバにおける導波路分散および色分散に因るパルス拡がりが抑制され、光ファイバの温度分布を優れた位置分解能で測定することができる。
【００１２】
また、本発明に係る分布型光ファイバ温度センサの光ファイバは、コア領域にＯＨ基のみが添加され、クラッド領域にＦ元素が添加されていることを特徴とする。この場合には、高温である場合や水素が存在する条件下でも安定であり、連続使用しても特性の変動が小さいので好適である。
【００１３】
また、本発明に係る分布型光ファイバ温度センサの光ファイバは、コア領域におけるＯＨ基添加濃度が０．１ｐｐｍ〜２０００ｐｐｍであることを特徴とする。この場合には、光ファイバの損失は０．０３ｄＢ／ｋｍ〜６０ｄＢ／ｋｍであって、光ファイバの損失が小さく長尺化が可能であり、且つ、温度測定分解能が充分である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１５】
先ず、本発明に係る分布型光ファイバ温度センサの実施形態の構成について説明する。図１は、本実施形態に係る分布型光ファイバ温度センサの構成図である。本実施形態に係る分布型光ファイバ温度センサは、光パルス試験器１００および光ファイバ２００を備えて構成される。
【００１６】
光パルス試験器１００は、波長１．５５μｍ帯のパルス光を出力して光ファイバ２００に入射させ、この入射に伴い光ファイバ２００において生じた後方散乱光を検出し、この後方散乱光に基づいて光ファイバ２００の長手方向の損失分布を求め、光ファイバ２００の損失の温度依存性に基づいて光ファイバ２００の長手方向の温度分布を求めるものである。光パルス試験器１００は、光カプラ４０、測定部５０および光パルス光源６０を備える。
【００１７】
光パルス光源６０は、波長１．５５μｍ帯のパルス光を出力するものであり、半導体レーザ光源１０、レンズ２０および光ファイバ３０を備える。半導体レーザ光源１０は、例えば、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰのヘテロ構造体から構成される半導体発光素子であり、電流が供給されることにより励起され波長１．５５μｍ帯の光を出力する。半導体レーザ光源１０のヘテロ構造体の両端には、高反射率の光反射面１１と低反射率の光出射面１２とが互いに対向して設けられている。レンズ２０は、半導体レーザ光源１０の光出射面１２から出射した光を収束させて光ファイバ３０の端面に入射させ、また、光ファイバ３０の端面から出射した光を収束させて半導体レーザ光源１０の光出射面１２に入射させる。光ファイバ３０は、長手方向の一定範囲のコア領域に周期的な屈折率変調であるブラッグ型の回折格子３５が形成されている。この回折格子３５は、光ファイバ３０の実効的屈折率および屈折率変調の周期に基づいて決まるブラッグ波長と同一の波長の伝搬光を高反射率で反射させる。回折格子３５における屈折率変調の周期は、ブラッグ波長が１．５５μｍ帯のものとなるように設計されている。
【００１８】
すなわち、光パルス光源６０は、半導体レーザ光源１０の光反射面１１と回折格子３５との間でファブリペロ型共振器を構成しており、半導体レーザ光源１０にパルス電流が供給されることにより、回折格子３５におけるブラッグ波長と同一の波長のパルス光をレーザ発振する。このように構成される光パルス光源６０から出力されるパルス光は単色性に優れたものである。
【００１９】
光カプラ４０は、４端子の方向性結合器であり、第１端子４１、第２端子４２、第３端子４３および無反射終端４４を備える。第１端子４１は光ファイバ３０に接続されており、第２端子４２は光ファイバ２００に接続されており、第３端子４３は測定部５０に接続されている。光カプラ４０は、光パルス光源６０から出力されて第１端子４１に入力したパルス光を、第２端子４２から出力し光ファイバ２００へ入力させるとともに、光ファイバ２００から出力されて第２端子４２に入力した後方散乱光を、第３端子４３から出力し測定部５０に入力させる。
【００２０】
測定部５０は、光ファイバ２００で発生し光カプラ４０を経て到達した後方散乱光を検出し、この後方散乱光に基づいて光ファイバ２００の長手方向の損失分布を求め、光ファイバ２００の損失の温度依存性に基づいて光ファイバ２００の長手方向の温度分布を求める。
【００２１】
光ファイバ２００は、石英ガラスを主成分としコア領域にＯＨ基が添加されたものである。光ファイバ２００は、光パルス試験器１００から出力されたパルス光を一端に入力し、そのパルス光を伝搬させるとともに、パルス光の伝搬に伴い光ファイバ２００の各位置における損失に応じて発生した後方散乱光を逆方向に伝搬させ、上記一端から出力する。
【００２２】
図２は、光ファイバ２００の屈折率プロファイルを例示した図である。図２（ａ）に示す光ファイバ２００は、高屈折率のコア領域にＯＨ基が添加され、その周囲のクラッド領域が純粋石英ガラスからなり、コア径が９．５μｍであり、クラッド領域に対するコア領域の比屈折率差が０．３５％であり、波長１．３μｍ帯に零分散波長を有し、波長１．３μｍ帯および波長１．５５μｍ帯において単一モードである光ファイバである。このように光ファイバ２００が波長１．５５μｍ帯において単一モードであれば、光ファイバ２００におけるモード分散が実質的に存在しないので、光ファイバ２００の温度分布を測定する際の位置分解能が優れる。
【００２３】
図２（ｂ）に示す光ファイバ２００は、高屈折率のコア領域にＯＨ基が添加され、その周囲のクラッド領域にＦ元素が添加され、コア径が４．６μｍであり、クラッド領域に対するコア領域の比屈折率差が０．７２％であり、波長１．５５μｍ帯に零分散波長を有し、波長１．５５μｍ帯において単一モードである分散シフト光ファイバである。このように光ファイバ２００が波長１．５５μｍ帯に零分散波長を有すれば、光ファイバ２００における導波路分散および色分散に因るパルス拡がりが抑制されるので、光パルス試験器１００から出力されるパルス光のパルス幅を極めて狭いものとすることができ、それ故、光ファイバ２００の温度分布を優れた位置分解能で測定することができる。特に、光パルス試験器１００から出力されるパルス光の波長において、光ファイバ２００の波長分散が１ｐｓ／ｋｍ／ｎｍであるのが好適である。
【００２４】
図２（ｃ）に示す光ファイバ２００は、高屈折率のコア領域にＯＨ基が添加され、その周囲のディプレスト領域にＦ元素が添加され、更にその周囲のクラッド領域が純粋石英ガラスからなり、コア径が４．０μｍであり、ディプレスト領域に対するコア領域の比屈折率差が０．７２％であり、波長１．５５μｍ帯に零分散波長を有し、波長１．５５μｍ帯において分散スロープが小さく、波長１．５５μｍ帯において単一モードである分散フラット光ファイバである。このように光ファイバ２００が波長１．５５μｍ帯において分散スロープが小さければ、温度変化に因り光ファイバ２００の波長分散が変化したとしても、光ファイバ２００は波長１．５５μｍ帯において波長分散が小さいので、光ファイバ２００における導波路分散および色分散に因るパルス拡がりが抑制され、光ファイバ２００の温度分布を優れた位置分解能で測定することができる。特に、波長１．５５μｍ帯において分散スロープの絶対値が０．０３ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ2 以下であるのが好適である。
【００２５】
また、光ファイバ２００は、コア領域に実質的にＯＨ基のみが添加され、クラッド領域にＦ元素が添加されたものであれば、高温である場合や水素が存在する条件下でも安定であり、連続使用しても特性の変動が小さいので好適である。コア領域におけるＯＨ基添加濃度は、少なすぎると温度測定分解能が不充分であり、一方、多すぎると光ファイバ２００の損失が大きくなって長尺にすることができないので、０．１ｐｐｍ〜２０００ｐｐｍとするのが好適である。この場合、光ファイバ２００の損失は波長１．５５μｍにおいて０．０３ｄＢ／ｋｍ〜６０ｄＢ／ｋｍであって、光ファイバ２００の損失が小さく長尺化が可能であり、且つ、温度測定分解能が充分である。
【００２６】
図３は、光ファイバ２００の長手方向の温度分布の求め方の説明図である。光パルス光源６０からパルス光が出力された時刻を基準時刻として、各時刻における後方散乱光（戻り光）の強度を測定部５０により求めると、光ファイバ２００の各位置で発生した後方散乱光の強度が得られる（図３（ａ））。そして、測定部５０により、この後方散乱光強度の微係数を求めると、光ファイバ２００の各位置における損失が得られ、この損失が温度に依存するから、結局、光ファイバ２００の各位置における温度が得られる（図３（ｂ））。
【００２７】
次に、本実施形態に係る分布型光ファイバ温度センサにおいて好適に用いられる光ファイバ２００の諸特性について図４〜図８を用いて説明する。ここでの光ファイバ２００は、図２（ｃ）に示した屈折率プロファイルを有する分散フラット光ファイバであって、波長１．５５μｍ帯において単一モードであり、コア領域に実質的にＯＨ基のみが２ｐｐｍ添加され、零分散波長が１．５７μｍであり、波長１．５５μｍ帯において分散スロープが−０．０２５ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ2 である。
【００２８】
図４は、光ファイバの損失の波長依存性を示すグラフである。このグラフには、光ファイバ２００の損失の波長依存性だけでなく、コア領域にＯＨ基の替わりにＥｒ元素が１００ｐｐｍ添加された光ファイバの損失の波長依存性も参考のために示されている。それぞれの損失は、基準温度である２０℃で測定された。このグラフに示すように、コア領域にＯＨ基が添加された光ファイバ２００は、光パルス試験器１００から出力されるパルス光の波長である波長１．５５μｍ帯で損失が小さいので長尺化が可能である。
【００２９】
図５は、温度２０℃および２００℃それぞれにおける光ファイバ２００の損失の波長依存性を示すグラフである。図６は、図５に示すグラフのうち波長１５００ｎｍ〜１６００ｎｍの範囲を拡大して示したグラフである。これらのグラフは、損失を規格化して表したものを縦軸としている。これらのグラフに示すように、温度が変化すると、光ファイバ２００の各波長における損失値も変化する。
【００３０】
図７は、光ファイバ２００の損失温度感度Ｋの波長依存性を示すグラフである。このグラフに示すように、光ファイバ２００の損失温度感度Ｋは、波長１．５５μｍ帯において０．３２％／℃である。これは、従来のＣｕ元素を添加したものの損失温度感度Ｋより大きい。すなわち、本実施形態に係る分布型光ファイバ温度センサは、高い分解能で温度を測定することができる。
【００３１】
図８は、光ファイバの損失温度感度Ｋの時間変動を示すグラフである。同図（ａ）〜（ｃ）は何れも温度１８０℃におけるものであり、同図（ａ）は波長０．８５μｍにおける損失温度感度Ｋの時間変動を示し、同図（ｂ）は波長１．３０μｍにおける損失温度感度Ｋの時間変動を示し、同図（ｃ）は波長１．５５μｍにおける損失温度感度Ｋの時間変動を示す。また、光ファイバ２００の損失温度感度Ｋの時間変動だけでなく、コア領域にＥｒ元素が１００ｐｐｍ添加された光ファイバおよびコア領域にＣｕ元素が３ｐｐｍ添加された光ファイバそれぞれの損失温度感度Ｋの時間変動も参考のために示されている。
【００３２】
このグラフに示すように、光パルス試験器１００から出力されるパルス光の波長である波長１．５５μｍ帯で、コア領域にＯＨ基が添加された光ファイバ２００は、Ｃｕ元素が添加されたものと比較して、損失温度感度Ｋが大きく０．３２％／℃である。また、長時間に亘って温度１８０℃の状態にあっても、コア領域にＯＨ基が添加された光ファイバ２００は、損失温度感度Ｋの変動が極めて小さい。さらに、温度２００℃以上でも光ファイバ２００の損失温度感度Ｋの変動は極めて小さいことが確認された。すなわち、本実施形態に係る分布型光ファイバ温度センサは、広い温度範囲で測定することができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上詳細に説明したとおり、本発明に係る分布型光ファイバ温度センサまたは温度分布測定方法によれば、光パルス試験器から出力された波長１.５５μｍ帯のパルス光は、石英ガラスを主成分としコア領域にＯＨ基が添加された光ファイバに入射し、この光ファイバを伝搬する。また、光パルス試験器により、光ファイバにおいて生じた後方散乱光が検出され、この後方散乱光に基づいて光ファイバの長手方向の損失分布が求められ、光ファイバの損失の温度依存性に基づいて光ファイバの長手方向の温度分布が求められる。このように、パルス光の波長は石英系の光ファイバにおける損失が小さい１.５５μｍ帯であり、この石英系の光ファイバのコア領域にＯＨ基が添加されたものであるので、ＯＨ基添加濃度を好適値に設定することにより、光ファイバは、適切な損失を有することとなって長尺化が可能であり、また、損失温度感度が高く、温度測定範囲が広い。
【００３４】
また、光ファイバが波長１．５５μｍ帯において単一モードである場合には、光ファイバにおけるモード分散が実質的に存在しないので、光ファイバの温度分布を測定する際の位置分解能が優れる
また、光ファイが波長１．５５μｍ帯に零分散波長を有する場合には、光ファイバにおける導波路分散および色分散に因るパルス拡がりが抑制されるので、光パルス試験器から出力されるパルス光のパルス幅を極めて狭いものとすることができ、それ故、光ファイバの温度分布を優れた位置分解能で測定することができる。
【００３５】
また、光ファイバの分散スロープの絶対値が波長１．５５μｍ帯において０．０３ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ2 以下である場合には、温度変化に因り光ファイバの波長分散が変化したとしても、光ファイバは波長１．５５μｍ帯において波長分散が小さいので、光ファイバにおける導波路分散および色分散に因るパルス拡がりが抑制され、光ファイバの温度分布を優れた位置分解能で測定することができる。
【００３６】
また、光ファイバのコア領域にＯＨ基のみが添加され、クラッド領域にＦ元素が添加されている場合には、高温である場合や水素が存在する条件下でも安定であり、連続使用しても特性の変動が小さいので好適である。
【００３７】
また、光ファイバのコア領域におけるＯＨ基添加濃度が０．１ｐｐｍ〜２０００ｐｐｍである場合には、光ファイバの損失は０．０３ｄＢ／ｋｍ〜６０ｄＢ／ｋｍであって、光ファイバの損失が小さく長尺化が可能であり、且つ、温度測定分解能が充分である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る分布型光ファイバ温度センサの構成図である。
【図２】光ファイバの屈折率プロファイルを例示した図である。
【図３】光ファイバの長手方向の温度分布の求め方の説明図である。
【図４】光ファイバの損失の波長依存性を示すグラフである。
【図５】温度２０℃および２００℃それぞれにおける光ファイバの損失の波長依存性を示すグラフである。
【図６】図５に示すグラフのうち波長１５００ｎｍ〜１６００ｎｍの範囲を拡大して示したグラフである。
【図７】光ファイバの損失温度感度Ｋの波長依存性を示すグラフである。
【図８】光ファイバの損失温度感度Ｋの時間変動を示すグラフである。
【符号の説明】
１０…半導体レーザ光源、１１…光反射面、１２…光出射面、２０…レンズ、３０…光ファイバ、３５…回折格子、４０…光カプラ、５０…測定部、６０…光パルス光源、１００…光パルス試験器、２００…光ファイバ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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