JP3846053B2

JP3846053B2 - Distributed optical fiber temperature sensor

Info

Publication number: JP3846053B2
Application number: JP24616798A
Authority: JP
Inventors: 真二石川; 政一茂原; 弘雄金森; 義行末次
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1998-08-31
Filing date: 1998-08-31
Publication date: 2006-11-15
Anticipated expiration: 2018-08-31
Also published as: JP2000074754A

Description

【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。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a distributed optical fiber temperature sensor that obtains a temperature distribution based on a loss distribution in the longitudinal direction of an optical fiber by utilizing the fact that the loss of the optical fiber has temperature dependence.
[0002]
[Prior art]
As a technique for measuring the loss distribution in the longitudinal direction of an optical fiber, an OTDR (Optical Time Domain Reflectometry) technique is known. In this OTDR technique, pulsed light is incident on an optical fiber, backscattered light generated in the optical fiber is detected along with this incident, and a loss distribution in the longitudinal direction of the optical fiber is obtained based on the backscattered light. . On the other hand, it is also known that the loss of an optical fiber depends on the temperature of the optical fiber. The distributed optical fiber temperature sensor obtains the temperature distribution in the longitudinal direction of the optical fiber based on the loss distribution in the longitudinal direction of the optical fiber measured by the OTDR technique.
[0003]
For example, the IEICE Spring National Convention C-618 (1989) describes the wavelength dependence of the loss temperature sensitivity K of a Cu-doped quartz core single-mode optical fiber having a zero dispersion wavelength in the 1.3 μm wavelength band. It has been. Here, assuming that the loss of the optical fiber at the reference temperature is α (dB / km) and the increase in the loss of the optical fiber per 1 ° C. is Δα (dB / km / ° C.), the loss temperature sensitivity K is
K = 100 × Δα / α (% / ° C) (1)
Is defined by the expression According to this document, the loss temperature sensitivity K of the optical fiber is a maximum of 0.17% / ° C. at a wavelength of 1.24 μm, 0.14% / ° C. at a wavelength of 1.30 μm, and a wavelength of 1 It is about 0.02% / ° C. at 0.55 μm.
[0004]
In addition, the IEICE Spring Conference C-375 (1992) describes a distributed optical fiber temperature sensor that uses the temperature dependence of the intensity of Raman scattered light generated in an optical fiber to which pulsed light is incident. Yes.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, each of the above conventional examples has the following problems. That is, the distributed optical fiber temperature sensor using the Cu-added quartz core optical fiber described in the former document has a low loss temperature sensitivity K, so it is difficult to measure the temperature with high resolution. In particular, the loss temperature sensitivity K is very small in the vicinity of 1.3 μm or 1.55 μm, which is the wavelength band of pulse light that is normally used.
[0006]
In the distributed optical fiber temperature sensor using Raman scattering described in the latter document, the ratio of the core region to the cladding region is increased by increasing the GeO ₂ addition amount in the core region in order to increase the intensity of the Raman scattered light. It is necessary to increase the refractive index difference. However, if the GeO ₂ addition amount in the core region is large, the optical fiber generates irreversible loss at a high temperature of 150 ° C. or higher. In addition, the intensity change of the Raman scattered light is not linear with respect to the temperature change, and the temperature measurement resolution decreases at a temperature of 200 ° C. or higher. Therefore, a distributed optical fiber temperature sensor using Raman scattering can measure temperature only within a temperature range of about 100 ° C. or less.
[0007]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a distributed optical fiber temperature sensor having high loss temperature sensitivity and a wide temperature measurement range.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The distributed optical fiber temperature sensor according to the present invention includes (1) an optical fiber mainly composed of quartz glass and having an OH group added to the core region, and (2) a pulsed light having a wavelength of 1.55 μm. The incident light is incident on the fiber, and the backscattered light generated in the optical fiber is detected. The loss distribution in the longitudinal direction of the optical fiber is obtained based on the backscattered light, and the temperature dependence of the loss of the optical fiber is determined. And an optical pulse tester for obtaining a temperature distribution in the longitudinal direction of the optical fiber.
In addition, the temperature distribution measuring method according to the present invention uses an optical fiber having quartz glass as a main component and having an OH group added to the core region, and makes pulse light of a wavelength of 1.55 μm incident on the optical fiber . The backscattered light generated in the optical fiber is detected, the loss distribution in the longitudinal direction of the optical fiber is obtained based on the backscattered light, and the temperature distribution in the longitudinal direction of the optical fiber is determined based on the temperature dependence of the loss of the optical fiber. It is characterized by calculating | requiring.
[0009]
According to this distributed optical fiber temperature sensor, the pulsed light having a wavelength of 1.55 μm output from the optical pulse tester is incident on an optical fiber mainly composed of quartz glass and having an OH group added to the core region. It propagates through this optical fiber. Further, the optical pulse tester detects the backscattered light generated in the optical fiber, and based on the backscattered light, the loss distribution in the longitudinal direction of the optical fiber is obtained, and based on the temperature dependence of the optical fiber loss. A temperature distribution in the longitudinal direction of the optical fiber is required. Thus, the wavelength of the pulsed light is in the 1.55 μm band where the loss in the silica-based optical fiber is small, and OH groups are added to the core region of this silica-based optical fiber. Is set to a suitable value, the optical fiber has an appropriate loss and can be lengthened, has high loss temperature sensitivity, and has a wide temperature measurement range.
[0010]
In addition, the optical fiber of the distributed optical fiber temperature sensor according to the present invention is characterized in that it is a single mode in a wavelength band of 1.55 μm. In this case, since there is substantially no mode dispersion in the optical fiber, the position resolution when measuring the temperature distribution of the optical fiber is excellent. Further, the optical fiber of the distributed optical fiber temperature sensor according to the present invention has the wavelength It has a zero dispersion wavelength in the 1.55 μm band. In this case, since the pulse spread due to the waveguide dispersion and chromatic dispersion in the optical fiber is suppressed, the pulse width of the pulsed light output from the optical pulse tester can be made extremely narrow. The temperature distribution of the optical fiber can be measured with excellent position resolution.
[0011]
The optical fiber of the distributed optical fiber temperature sensor according to the present invention is characterized in that the absolute value of the dispersion slope is 0.03 ps / km / nm ² or less in the wavelength 1.55 μm band. In this case, even if the chromatic dispersion of the optical fiber changes due to the temperature change, the optical fiber has a small chromatic dispersion in the 1.55 μm wavelength band, so that the pulse spread due to the waveguide dispersion and chromatic dispersion in the optical fiber does not occur. It is suppressed and the temperature distribution of the optical fiber can be measured with excellent position resolution.
[0012]
The optical fiber of the distributed optical fiber temperature sensor according to the present invention is characterized in that only the OH group is added to the core region and the F element is added to the cladding region. In this case, it is stable even under high temperature conditions or in the presence of hydrogen, and it is preferable because the variation in characteristics is small even when continuously used.
[0013]
Moreover, the optical fiber of the distributed optical fiber temperature sensor according to the present invention is characterized in that the OH group addition concentration in the core region is 0.1 ppm to 2000 ppm. In this case, the loss of the optical fiber is 0.03 dB / km to 60 dB / km, the loss of the optical fiber is small and the length can be increased, and the temperature measurement resolution is sufficient.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
[0015]
First, the configuration of an embodiment of a distributed optical fiber temperature sensor according to the present invention will be described. FIG. 1 is a configuration diagram of a distributed optical fiber temperature sensor according to the present embodiment. The distributed optical fiber temperature sensor according to this embodiment includes an optical pulse tester 100 and an optical fiber 200.
[0016]
The optical pulse tester 100 outputs a pulsed light having a wavelength of 1.55 μm and makes it incident on the optical fiber 200, detects the backscattered light generated in the optical fiber 200 due to this incidence, and based on this backscattered light The longitudinal loss distribution of the optical fiber 200 is obtained, and the longitudinal temperature distribution of the optical fiber 200 is obtained based on the temperature dependence of the loss of the optical fiber 200. The optical pulse tester 100 includes an optical coupler 40, a measurement unit 50, and an optical pulse light source 60.
[0017]
The optical pulse light source 60 outputs pulsed light having a wavelength of 1.55 μm, and includes the semiconductor laser light source 10, the lens 20, and the optical fiber 30. The semiconductor laser light source 10 is a semiconductor light emitting element composed of, for example, an InGaAsP / InP heterostructure, and is excited when supplied with current to output light having a wavelength of 1.55 μm. A high-reflectivity light reflecting surface 11 and a low-reflectivity light emitting surface 12 are provided opposite to each other at both ends of the heterostructure of the semiconductor laser light source 10. The lens 20 converges the light emitted from the light emitting surface 12 of the semiconductor laser light source 10 to be incident on the end surface of the optical fiber 30, and converges the light emitted from the end surface of the optical fiber 30 to converge the light emitted from the semiconductor laser light source 10. The light is incident on the light exit surface 12. In the optical fiber 30, a Bragg diffraction grating 35 that is periodic refractive index modulation is formed in a core region in a certain range in the longitudinal direction. The diffraction grating 35 reflects the propagation light having the same wavelength as the Bragg wavelength determined based on the effective refractive index of the optical fiber 30 and the period of refractive index modulation with a high reflectance. The period of refractive index modulation in the diffraction grating 35 is designed so that the Bragg wavelength is in the 1.55 μm band.
[0018]
That is, the optical pulse light source 60 constitutes a Fabry-Perot resonator between the light reflecting surface 11 of the semiconductor laser light source 10 and the diffraction grating 35, and the pulse current is supplied to the semiconductor laser light source 10, thereby diffracting. Laser light is emitted from pulsed light having the same wavelength as the Bragg wavelength in the grating 35. The pulsed light output from the optical pulse light source 60 configured as described above has excellent monochromaticity.
[0019]
The optical coupler 40 is a four-terminal directional coupler, and includes a first terminal 41, a second terminal 42, a third terminal 43, and a non-reflection terminal 44. The first terminal 41 is connected to the optical fiber 30, the second terminal 42 is connected to the optical fiber 200, and the third terminal 43 is connected to the measuring unit 50. The optical coupler 40 outputs the pulsed light output from the optical pulse light source 60 and input to the first terminal 41 from the second terminal 42 to be input to the optical fiber 200, and output from the optical fiber 200 to the second terminal 42. The backscattered light input to is output from the third terminal 43 and input to the measurement unit 50.
[0020]
The measurement unit 50 detects the backscattered light generated in the optical fiber 200 and reached through the optical coupler 40, obtains the loss distribution in the longitudinal direction of the optical fiber 200 based on the backscattered light, and determines the loss of the optical fiber 200. Based on the temperature dependence, the temperature distribution in the longitudinal direction of the optical fiber 200 is obtained.
[0021]
The optical fiber 200 has silica glass as a main component and OH groups added to the core region. The optical fiber 200 receives the pulsed light output from the optical pulse tester 100 at one end and propagates the pulsed light, and the rear generated according to the loss at each position of the optical fiber 200 as the pulsed light propagates. Scattered light is propagated in the opposite direction and output from the one end.
[0022]
FIG. 2 is a diagram illustrating a refractive index profile of the optical fiber 200. An optical fiber 200 shown in FIG. 2A has an OH group added to a core region having a high refractive index, a surrounding cladding region made of pure silica glass, a core diameter of 9.5 μm, and a core with respect to the cladding region. The optical fiber has a relative refractive index difference of 0.35% in the region, a zero dispersion wavelength in the 1.3 μm wavelength band, and a single mode in the 1.3 μm wavelength band and the 1.55 μm wavelength band. As described above, when the optical fiber 200 is a single mode in the wavelength 1.55 μm band, there is substantially no mode dispersion in the optical fiber 200, so that the position resolution when measuring the temperature distribution of the optical fiber 200 is excellent.
[0023]
An optical fiber 200 shown in FIG. 2B has an OH group added to a core region having a high refractive index, an F element added to the surrounding cladding region, and a core diameter of 4.6 μm. This is a dispersion-shifted optical fiber having a relative refractive index difference of 0.72%, a zero dispersion wavelength in the 1.55 μm wavelength band, and a single mode in the 1.55 μm wavelength band. If the optical fiber 200 has a zero dispersion wavelength in the wavelength 1.55 μm band in this way, pulse spreading due to waveguide dispersion and chromatic dispersion in the optical fiber 200 is suppressed, and thus output from the optical pulse tester 100. The pulse width of the pulsed light can be made extremely narrow, and therefore the temperature distribution of the optical fiber 200 can be measured with excellent position resolution. In particular, it is preferable that the chromatic dispersion of the optical fiber 200 is 1 ps / km / nm at the wavelength of the pulsed light output from the optical pulse tester 100.
[0024]
In the optical fiber 200 shown in FIG. 2C, an OH group is added to the high refractive index core region, an F element is added to the surrounding depressed region, and the surrounding cladding region is made of pure quartz glass. The core diameter is 4.0 μm, the relative refractive index difference of the core region with respect to the depressed region is 0.72%, has a zero dispersion wavelength in the wavelength 1.55 μm band, and a dispersion slope in the wavelength 1.55 μm band. Is a dispersion flat optical fiber which is small and has a single mode in a wavelength band of 1.55 μm. Thus, if the optical fiber 200 has a small dispersion slope in the wavelength 1.55 μm band, the optical fiber 200 has a small wavelength dispersion in the wavelength 1.55 μm band even if the wavelength dispersion of the optical fiber 200 changes due to temperature change. Further, pulse spread due to waveguide dispersion and chromatic dispersion in the optical fiber 200 is suppressed, and the temperature distribution of the optical fiber 200 can be measured with excellent position resolution. In particular, it is preferable that the absolute value of the dispersion slope is 0.03 ps / km / nm ² or less in the wavelength 1.55 μm band.
[0025]
In addition, the optical fiber 200 is stable even under high temperature conditions or in the presence of hydrogen as long as only the OH group is substantially added to the core region and the F element is added to the cladding region. Even if it is used continuously, it is preferable because the fluctuation in characteristics is small. If the OH group addition concentration in the core region is too small, the temperature measurement resolution is insufficient. On the other hand, if the OH group addition concentration is too large, the loss of the optical fiber 200 increases and cannot be made long. It is preferable to do this. In this case, the loss of the optical fiber 200 is 0.03 dB / km to 60 dB / km at a wavelength of 1.55 μm, the loss of the optical fiber 200 is small and can be lengthened, and the temperature measurement resolution is sufficient. is there.
[0026]
FIG. 3 is an explanatory diagram of how to obtain the temperature distribution in the longitudinal direction of the optical fiber 200. When the time at which pulsed light is output from the optical pulse light source 60 is used as a reference time and the intensity of the backscattered light (returned light) at each time is obtained by the measurement unit 50, the backscattered light generated at each position of the optical fiber 200 is calculated. Strength can be obtained (FIG. 3 (a)). Then, when the derivative of the intensity of the backscattered light is obtained by the measuring unit 50, a loss at each position of the optical fiber 200 is obtained, and this loss depends on the temperature. Is obtained (FIG. 3B).
[0027]
Next, various characteristics of the optical fiber 200 suitably used in the distributed optical fiber temperature sensor according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. The optical fiber 200 here is a dispersion flat optical fiber having the refractive index profile shown in FIG. 2 (c), which is a single mode in the wavelength 1.55 μm band, and substantially only OH groups are present in the core region. Is added at 2 ppm, the zero dispersion wavelength is 1.57 μm, and the dispersion slope is −0.025 ps / km / nm ² in the wavelength 1.55 μm band.
[0028]
FIG. 4 is a graph showing the wavelength dependence of optical fiber loss. This graph shows not only the wavelength dependence of the loss of the optical fiber 200 but also the wavelength dependence of the loss of the optical fiber in which 100 ppm of Er element is added to the core region instead of the OH group. . Each loss was measured at a reference temperature of 20 ° C. As shown in this graph, the optical fiber 200 in which the OH group is added to the core region has a small loss at a wavelength of 1.55 μm, which is the wavelength of the pulsed light output from the optical pulse tester 100, so that the length is increased. Is possible.
[0029]
FIG. 5 is a graph showing the wavelength dependence of the loss of the optical fiber 200 at temperatures of 20 ° C. and 200 ° C., respectively. FIG. 6 is an enlarged graph showing the wavelength range of 1500 nm to 1600 nm in the graph shown in FIG. In these graphs, the vertical axis represents the normalized loss. As shown in these graphs, when the temperature changes, the loss value at each wavelength of the optical fiber 200 also changes.
[0030]
FIG. 7 is a graph showing the wavelength dependence of the loss temperature sensitivity K of the optical fiber 200. As shown in this graph, the loss temperature sensitivity K of the optical fiber 200 is 0.32% / ° C. in the wavelength 1.55 μm band. This is larger than the loss temperature sensitivity K of the conventional Cu element added. That is, the distributed optical fiber temperature sensor according to the present embodiment can measure temperature with high resolution.
[0031]
FIG. 8 is a graph showing temporal variation of the loss temperature sensitivity K of the optical fiber. (A) to (c) are all at a temperature of 180 ° C., (a) shows the time variation of the loss temperature sensitivity K at a wavelength of 0.85 μm, and (b) in FIG. The time variation of the loss temperature sensitivity K at 30 μm is shown, and FIG. 10C shows the time variation of the loss temperature sensitivity K at the wavelength of 1.55 μm. Further, not only the time variation of the loss temperature sensitivity K of the optical fiber 200 but also the time of the loss temperature sensitivity K of each of the optical fiber in which 100 ppm of Er element is added to the core region and the optical fiber in which 3 ppm of Cu element is added to the core region. Variations are also shown for reference.
[0032]
As shown in this graph, the optical fiber 200 in which the OH group is added to the core region in the wavelength 1.55 μm band which is the wavelength of the pulsed light output from the optical pulse tester 100 is the one in which the Cu element is added. As compared with the above, the loss temperature sensitivity K is large, 0.32% / ° C. Even in the state where the temperature is 180 ° C. for a long time, the optical fiber 200 in which the OH group is added to the core region has a very small loss temperature sensitivity K. Furthermore, it was confirmed that the variation of the loss temperature sensitivity K of the optical fiber 200 is extremely small even at a temperature of 200 ° C. or higher. That is, the distributed optical fiber temperature sensor according to the present embodiment can measure in a wide temperature range.
[0033]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the distributed optical fiber temperature sensor or the temperature distribution measuring method according to the present invention, the pulsed light having a wavelength of 1.55 μm output from the optical pulse tester is mainly composed of quartz glass. It enters an optical fiber having an OH group added to the core region and propagates through this optical fiber. Further, the optical pulse tester detects the backscattered light generated in the optical fiber, and based on the backscattered light, the loss distribution in the longitudinal direction of the optical fiber is obtained, and based on the temperature dependence of the optical fiber loss. A temperature distribution in the longitudinal direction of the optical fiber is required. Thus, the wavelength of the pulsed light is in the 1.55 μm band where the loss in the silica-based optical fiber is small, and OH groups are added to the core region of this silica-based optical fiber. Is set to a suitable value, the optical fiber has an appropriate loss and can be lengthened, has high loss temperature sensitivity, and has a wide temperature measurement range.
[0034]
In addition, when the optical fiber is in a single mode at a wavelength of 1.55 μm, there is substantially no mode dispersion in the optical fiber, so that the position resolution when measuring the temperature distribution of the optical fiber is excellent. When phi has a zero-dispersion wavelength in the 1.55 μm wavelength band, pulse broadening due to waveguide dispersion and chromatic dispersion in the optical fiber is suppressed, so the pulse width of the pulsed light output from the optical pulse tester Can be made very narrow, and therefore the temperature distribution of the optical fiber can be measured with excellent position resolution.
[0035]
In addition, when the absolute value of the dispersion slope of the optical fiber is 0.03 ps / km / nm ² or less in the wavelength 1.55 μm band, even if the chromatic dispersion of the optical fiber changes due to the temperature change, the optical fiber Since the chromatic dispersion is small in the 1.55 μm wavelength band, pulse spreading due to waveguide dispersion and chromatic dispersion in the optical fiber is suppressed, and the temperature distribution of the optical fiber can be measured with excellent position resolution.
[0036]
In addition, when only the OH group is added to the core region of the optical fiber and the F element is added to the cladding region, the optical fiber is stable even at high temperatures or in the presence of hydrogen, and can be used continuously. This is preferable because the fluctuation in characteristics is small.
[0037]
When the OH group addition concentration in the core region of the optical fiber is 0.1 ppm to 2000 ppm, the optical fiber loss is 0.03 dB / km to 60 dB / km, and the optical fiber loss is small and long. The temperature measurement resolution is sufficient.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a distributed optical fiber temperature sensor according to an embodiment.
FIG. 2 is a diagram illustrating a refractive index profile of an optical fiber.
FIG. 3 is an explanatory diagram of how to obtain a temperature distribution in the longitudinal direction of an optical fiber.
FIG. 4 is a graph showing the wavelength dependence of optical fiber loss.
FIG. 5 is a graph showing the wavelength dependence of optical fiber loss at temperatures of 20 ° C. and 200 ° C., respectively.
6 is an enlarged graph showing a wavelength range of 1500 nm to 1600 nm in the graph shown in FIG.
FIG. 7 is a graph showing the wavelength dependence of loss temperature sensitivity K of an optical fiber.
FIG. 8 is a graph showing temporal variation of loss temperature sensitivity K of an optical fiber.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Semiconductor laser light source, 11 ... Light reflection surface, 12 ... Light emission surface, 20 ... Lens, 30 ... Optical fiber, 35 ... Diffraction grating, 40 ... Optical coupler, 50 ... Measurement part, 60 ... Optical pulse light source, 100 ... Optical pulse tester, 200: optical fiber.

Claims

An optical fiber mainly composed of quartz glass and having an OH group added to the core region;
A pulsed light having a wavelength of 1.55 μm is output and incident on the optical fiber, and backscattered light generated in the optical fiber as a result of the incident is detected. Based on the backscattered light, the longitudinal direction of the optical fiber is detected. An optical pulse tester for obtaining a loss distribution and obtaining a temperature distribution in the longitudinal direction of the optical fiber based on the temperature dependence of the loss of the optical fiber;
A distributed optical fiber temperature sensor comprising:

The distributed optical fiber temperature sensor according to claim 1, wherein the optical fiber is a single mode in a wavelength band of 1.55 μm.

The distributed optical fiber temperature sensor according to claim 2, wherein the optical fiber has a zero dispersion wavelength in a wavelength band of 1.55 μm.

3. The distributed optical fiber temperature sensor according to claim 2, wherein the optical fiber has an absolute value of a dispersion slope of 0.03 ps / km / nm ² or less in a wavelength of 1.55 μm band.

2. The distributed optical fiber temperature sensor according to claim 1, wherein only the OH group is added to the core region, and the F element is added to the cladding region.

The distributed optical fiber temperature sensor according to claim 1, wherein the optical fiber has an OH group addition concentration in the core region of 0.1 ppm to 2000 ppm.

Using an optical fiber with quartz glass as the main component and OH groups added to the core region,
Wavelength 1 . 55 μm-band pulsed light is incident on the optical fiber, and backscattered light generated in the optical fiber as a result of this incidence is detected. Based on the backscattered light, a loss distribution in the longitudinal direction of the optical fiber is obtained, Based on the temperature dependence of the optical fiber loss, the temperature distribution in the longitudinal direction of the optical fiber is obtained.
A temperature distribution measuring method characterized by the above.