JPH0477641A

JPH0477641A - 光ファイバを用いた温度測定方法

Info

Publication number: JPH0477641A
Application number: JP2190701A
Authority: JP
Inventors: Toshio Kurashima; 利雄倉嶋; Tsuneo Horiguchi; 常雄堀口
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1990-07-20
Filing date: 1990-07-20
Publication date: 1992-03-11
Anticipated expiration: 2014-06-14
Also published as: JP2905269B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、光ファイバを用いた温度測定方法に関する。

（従来の技術）従来、光ファイバを用いた温度の測定方法として、ラマ
ン散乱光による０ＴＤＲ法を用いた温度測定法か提案さ
れている。これは、ラマン散乱光の強度か光ファイバの
温度に依存して変化することを利用したものである。ラ
マン散乱光は、光ファイバ中の分子に固有な振動に起因
した周波数の光か散乱される現象であり、光ファイバに
入射した入射光の波長に対して、長波長側にシフトした
ストークス光と短波長側にシフトした反ストークス光か
らなる。このストークス光と反ストークス光の強度比は
、光ファイバの温度に対して、はぼ直線的に変化するの
で、この強度比を測定することにり、温度を測定するこ
とが可能となる。

しかしながら、ラマン散乱光は、非常に微弱である。従
って、ラマン散乱光強度を太きくるための手段として、
数Ｗオーダーの高出力レーザや、さらに微弱な信号光で
あるラマン散乱光を検出するために高感度光検出器を必
要とし、ラマン散乱光による０ＴＤＲ法を用いた温度測
定法は、測定系全体のコストを高（するという欠点を持
っている。

また石英系光ファイバを用いた場合、ラマン散乱光は、
光ファイバに入射した光の波長に対し、約±４５０ａｎ
−’の波長をシフトした光、すなわち前述のストークス
光と反ストークス光を散乱する。

光ファイバを用いた温度測定では、このストークス光と
反ストークス光の二つの散乱光の強度を、温度測定の信
号として利用する。しかしながら、これらの信号光であ
るストークス光と反ストークス光の波長領域は、入射光
と前記シフト量だけ異なる。従って、高精度な温度測定
か要求される場合には、この波長のシフト量が問題とな
る。以下に、この波長のシフト量を要因とした二つの問
題点について説明する。

その一つは、光ファイバの入射光の波長を、光ファイバ
において最適な低損失波長とした場合、ストークス光と
反ストークス光の二つの信号光の波長か、石英系光ファ
イバにおける最適な低損失領域から外れるという欠点で
ある。その結果、信号光の光ファイバに対する伝送損失
か大きくなり、長距離温度測定か不可能になる。

他の一つは、光ファイバに光通信用媒体として用いられ
ている低損失な単一モード光ファイバを使用した場合、
信号光の内の−っである入射光の波長に対して短波長側
にシフトする反ストークス光の波長か、単一モード光フ
ァイバのカットオフ波長以下になり、その信号光の伝搬
特性か不安定になるという欠点である。その結果、信号
光の強度測定か不正確になり、高精度な温度測定か不可
能になる。

（発明か解決しようとする課題）本発明は、光通信単一モート光ファイバを用いた長距離
・高精度な温度測定か可能な方法を提供することにある
。

（課題を解決するための手段）本発明の光ファイバを用いた温度測定方法は、光通信用
単一モード光ファイバ内の音波と光波の非線形相互作用
により生じるプリルアン散乱現象におけるプリルアン利
得スペクトル幅と温度の関係を利用することにより、前
記光ファイバの温度を測定する。

本発明による単一モード光ファイバ中のプリルアン散乱
を用いた温度測定方法は、多モード光ファイバ中のラマ
ン散乱を用いた従来の温度測定技術と、最大測定距離の
長距離化、さらに高精度化という点で大きく異なる。

（実施例）実施例１第１図は、本発明の実施例１の測定系を示す図である。

第１図において、■および２は連続波（ＣＷ）発振の第
１光源および第２光源であり、両者ともＹＡＧレーザ、
またはＤＦＢレーザ等のような、プリルアン利得スペク
トル幅に比べ、スペクトル線幅の狭い光源である。３は
被測定光ファイバ、４は合分波器、５はＧｅ−ＡＰＤな
どの光検出器、６は光検出器５からの電気信号を受けて
、その信号の振幅を処理して解析する信号処理装置、７
は第１光源と第２光源の光周波数の差を任意の値に制御
するための光周波数制御装置である。

第１光源から出射した光、すなわち第１信号光Ｓ１は、
合分波器４を介して被測定光ファイバ３に結合される。

他方、第２光源からの出射光、すなわち第２信号Ｓ２は
、第１信号光ＳＩが結合した被測定光ファイバ３の端末
３−１とは反対側の端末３−２から被測定光ファイバ３
に結合される。このとき、第１信号光Ｓ１の光周波数ｆ
、と第２信号Ｓ２の光周波数ｆ２は、△ｆ＝ｆ、−ｆ、
が、光ファイバ３に固有のプリルアン周波数シフＩ−ｆ
　Ｂと、概略で、 Δｆ　　ｆＢｌ≦５０ＭＨｚ　　　　　　　　（２）の
関係式で一致するように光周波数制御装置７により制御
する。ｆ、の値は、例えば石英系の光ファイバであれば
、波長１．３μｍにおいて約１３　Ｇ　Ｈｚである。式
（２）か満足されているとき、第２信号光Ｓ２は第１信
号光Ｓ、によりプリルアン増幅される。このとき、光周
波数制御装置７により、第１信号光ＳＩの光周波数ｆ、
と第２信号光Ｓ２の光周波数ｆ２の相対周波数差Δｆを
連続的、または離散的に変化させ、このときの第２信号
光Ｓ２の強度を光検出器５を用いて観測する。この増幅
光強度とΔｆの関係から、プリルアン利得スペクトルを
得る。ここでは、その半値全幅（ＦＷｆ（ＭＦｕｌｌ　
Ｗｉｄｔｈ　ａｔ　Ｈａｌｆ　Ｍａｘｉｍｕｍ）をプリ
ルアン利得スペクトル幅として定義する。

コアにＧｅｍ、をドープした比屈折率差か０．３％の標
準的な光ファイバの場合の、プリルアン利得スペクトル
幅と温度の関係を第２図に示す。第２図は、第１図の測
定系で測定した結果である。第２図より、この光ファイ
バにおけるプリルアン利得スペクトル幅は、温度に対し
て直線的に変化し、その関係は、 Δｆ　、（Ｔ）−Δｆ　ｉｏ＋ｃ（Ｔ−Ｔｏ）　　　　
　　（３）と表わせることがわかる。Δｆ＋＋ｏは、温
度Ｔ＝Ｔ。

°Ｃのとき被測定光ファイバのプリルアン利得スペクト
ル幅である。Ｃは、温度ｌ″Ｃ当りのプリルアン利得ス
ペクトル幅の増加を表わす係数であり、この測定結果か
ら、−０，１２ＭＨｚ／’Ｃであることがわかる。従っ
てプリルアン利得スペクトル幅Δｆ、（Ｔ）は、温度Ｔ
＝Ｔ、°Ｃのときの被測定光ファイバのプリルアン利得
スペクトル幅Δｆ、。が既知であれば、光ファイバの温
度は式（３）より測定値を求めることが可能である。

実施例２第３図は、本発明の実施例２の測定系を示す図である。

第３図において、１は連続波発振の第１光源であり、Ｙ
　Ａ、　Ｇレーザ、またはＤＦＢレーザ等のような、プ
リルアン利得スペクトル幅に比べて、十分狭いスペクト
ル線幅を持つ光源である。

２は高反射率ミラー、または第１光源と同等な性能を持
つ第２光源、３は被測定光ファイバ、４は合分波器、５
はＧｅ−ＡＰＤなどの光検出器、６は光検出器からの電
気信号を受けて、その信号の振幅および周波数を処理し
て解析する信号処理装置、７は第１光源の光周波数を任
意の値に制画するための光周波数制御装置である。

第１光源から出射した光、すなわち第１信号光Ｓ１は、
合分波器４を介して、被測定光ファイバ３に結合される
。他方、高反射率ミラー（図示せず）からの反射光、ま
たは第２光源からの出射光、すなわち第２信号光Ｓ２は
、第１信号光Ｓ１か結合した合分波器４の端末４−１と
は反対側の端末４−２から合分波器４に結合される。こ
こで、周波数ｆ１の第１信号光により、被測定光ファイ
バ３から、合分波器４を介して、第１信号光の周波数ｆ
１とプリルアン周波数シフトｆ、たけ離れた周波数ｆ、
−ｆ、の後方プリルアン散乱光ＳＲか観測される。この
被測定光ファイバからのプリルアン散乱光ＳＢと第２信
号光Ｓ２は、合分波器４の端末４−３．４−２をそれぞ
れ介して、合分波器４で混合され、光検出器５で検出さ
れた後、信号処理装置６、例えばＲＦスペクトラムアナ
ライザで、第２信号光Ｓ２とプリルアン散乱光Ｓ、との
ビート周波数および信号光ＳＩｌの強度を検出する。

プリルアン散乱光Ｓ、の周波数は、プリルアン利得スペ
クトル幅Δｆ、だけばらついているので、前記ビート信
号の周波数広がりからプリルアン利得スペクトル幅Δｆ
ａか測定できる。

プリルアン利得スペクトル幅ΔｆＢから、温度を求める
方法は、実施例１と同様である。

実施例３以上、実施例１および実施例２は、被測定光ファイバ全
体を用いた温度測定の場合であった。

第４図は、本発明の実施例３、すなわち光ファイバの長
手方向の温度分布測定の場合の測定系を示す。第４図に
おいて、１はパルス状に振幅変調または周波数変調され
た光を発生する第１光源であって、プリルアン利得スペ
クトル幅に比へ、スペクトル線幅の狭い光を出射する。

第１光源は、例えば連続波発振のＹＡＧレーザまたは連
続波発振のＤＦＢレーサ等の単一縦モード発振レーザか
らの出射光を、音響光学変調器または電界効果型光変調
器等をパルス駆動することによって、パルス状に振幅変
調する構成とすることにより実現できる。またはＤＦＢ
レーサ等の単一縦モード発振レーザに電流注入する、内
部変調をかける構成によっても実現できる。２は連続波
発振の第２光源であり、ＹＡＧレーザ、ＤＦＢレーザ等
のように、第１光源と同様なプリルアン利得スペクトル
幅に比べて、スペクトル線幅の狭い光源である。３は被
測定光ファイバ、４は合分波器、５はＧｅ−ＡＰＤなど
の光検出器、６は光検出器からの電気信号を受けて、そ
の信号の時間的波形または振幅を処理して解析する信号
処理装置、７は第１光源と第２光源の光周波数差を任意
の値に制画するための光周波数制御装置である。

二の装置の構成および動作は、信学技報０ＱＥ８８−８
０　（１９８８，１０，２５）または特願昭６３−１５
４８２８号に詳述されているか、以下に概要を述べる。

第１光源から出射したパルス状の光、すなわち第１信号
光Ｓ１は、合分波器４を介して被測定光ファイバ３に結
合される。他方、第２光源からの出射光、すなわち第２
信号光Ｓ２は、第１信号光Ｓ、が結合した被測定光ファ
イバ３の端末３−１とは反対側の端末３−２から、被測
定光ファイバ３に結合される。このとき、第２信号光Ｓ
１の光周波数ｆ１と第２信号光Ｓ２の光周波数ｆ２の光
周波数差か、概略で、式（２）で表わされる関係を満た
すように、光周波数制御装置７により制御する。ここで
、ｆＢは、前記したように、被測定光ファイバ３に固有
のプリルアン周波数シフトである。式（２）か満足され
ているとき、第２信号光Ｓ２は、第１信号光Ｓｌにより
プリルアン増幅される。

このとき、光検出器５により検出される第２信号光Ｓ、
の波形は、以下のように導かれる。

プリルアン光増幅による第２信号光Ｓ２に対する、位置
Ｚにおける利得ｇは、ｇ−１＜１のとき、ｇ　＝　１　
＋Ａ−Ｐ　＋　（ｚ）　　　　　　　　　　（４）と表
わされる。ここで、Ａは比例係数、Ｚは被測定光ファイ
バ３を伝搬する第１信号光Ｓ、（パルス信号）か存在す
る位置を表わし、ここでは、被測定光ファイバ３の端末
３−１を基準として定めるものとする。Ｐ、（ｚ）は、
位置Ｚにおける第１信号光Ｓ１の光パワーである。同様
に、Ｐ　２（Ｚ）を第２信号光Ｓ２の位置Ｚにおける光
パワーとし、被測定光ファイバ３の光損失および長さを
、それぞれα〔口ｅｐｅｒ／ｎ＋　：ｌおよびＬ　（ｍ
）とする。また第１信号光Ｓ１と第２信号光Ｓ２との間
の周波数差は、わずかであるので、被測定光ファイバ３
の両信号光に対する損失は同一であるとすると、Ｐ　＋
（ｚ）＝　Ｐ　＋（０）　−ｅｘｐ（−ａ　ｚ）　　　
　　　　（５）Ｐ２（ｚ）＝Ｐ２（Ｌ）−ｅｘｐ　（−
ａ　（Ｌ−ｚ）！　　　（６）となる。式（２）、式（
３）および位置０〜Ｚ間の光ファイバ損失による第２信
号光Ｓ２の減衰率ｅＸｐ（−αＺ）を考慮すると、光検
出器５に入射する第２信号光Ｓ、のパワーＰ　、（Ｚ）
は、Ｐ　２（ｚ）−ｇ　ＨＰ　２（Ｚ）　・ｅｘ回−α
Ｚ）−Ｐ　２（Ｌ）　・ｅｘｐ（ａＬ）＋Ａ−Ｐ＋（０）−Ｐ２（Ｌ）・ｅｘｐ（−ａｚ）　　
　（７）となる。ここで、第２信号光Ｓ２が合分波器４
を通過するときの損失を無視した。式（７）の右辺にお
ける第１項は直流分であり、第２項かプリルアン光増幅
により増加した成分である。第１信号光Ｓ、か被測定光
ファイバ３に入射してから、２位置でプリルアン光増幅
された第２信号光Ｓ２か光検出器５で検出されるまでの
時間ｔは、被測定光ファイバ３の中での光速をＶとする
と、ｔ＝２ｚ／ｖ　　　　　　　　　　　　（８）であ
るから、受光信号レベルの波形は第５図に示すようにな
る。第５図において、プリルアン光増幅により増加した
成分の減衰率は、被測定光ファイバ３の光損失αを表わ
している。

プリルアン利得スペクトルは、以下に述べるような方法
で、被測定光ファイバの長手方向の任意の場所ごとに測
定することができる。すなわち始めに、第４図に示した
測定装置において、第１光源と第２光源の光周波数差△
シーｆ、−ｆ２を、ある値ν、に固定して、第５図に示
すようなプリルアン利得の距離分布を測定する。

次に、第１光源と第２光源の周波数差Δνを、ν、とは
少し異なる値ν２に固定し、第５図と同様なプリルアン
利得の距離分布を測定する。以下、同様にして、二つの
光源の周波数差Δνを変えて、繰り返しプリルアン利得
の距離分布を測定する。

第６図（ａ）は、このような測定のフローを示し、第６
図（ｂ）は、これら一連の測定によって得られたデータ
を総合表示するものである。次に、被測定光ファイバの
特定の場所、例えばＺ　”　Ｚ　＋の点に着目して−２
この場所における利得を二つの光源の周波数差Δνの関
数として表示すると、この場所におけるプリルアン利得
スペクトルが得られる。

着目する場所Ｚを変えて、各場所ごとに同様の処理を行
うことにより、任意の場所についてのプリルアン利得ス
ペクトルが得られる。

第７図はこの処理のフローを示した図である。

ここで、横軸の距離分解能△Ｚは、温度分布測定に用い
る光源１の光パルスの幅をτ、光ファイバ内の光速をＶ
とすると、 ΔＺ＝Ｖτ／　２　　　　　　　　　　　　（１０）で
表わされる。この距離分解能は、従来技術である０ＴＤ
Ｒ法の分解能と全く同じである。

以上述べたように、測定すべき被測定光ファイバの着目
する各々の場所ごとに、前述のプリルアン利得スペクト
ル幅△ｆ、（Ｔ）を求めれば、実施例１と同様に、式（
３）より光ファイバを用いた温度の分布測定か可能であ
る。

（発明の効果）以上説明したように、本発明の光ファイバを用いた温度
測定方法は、測定すべき光ファイバ全体、または測定す
べき光ファイバの着目する場所ごとに、プリルアン利得
スペクトルを測定し、そのときのプリルアン利得幅を解
析することにより、光ファイバの温度か高精度に測定す
ることか可能である。また光ファイバには低損失な単一
モード光ファイバが使用でき、さらに光ファイバの損失
が小さな波長の光源を使用することかできるので、光フ
ァイバの長距離温度分布測定か可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例１の測定系を示す図、第２図は
プリルアン利得スペクトル幅の温度依存性の測定例を示
す図、第３図は本発明の実施例２の測定系を示す図、第４図は
本発明の実施例３の測定系を示す図、第５図は本発明の
実施例３による受光波形例を示す図、第６図（ａ）はプリルアン利得の距離分布の測定フロー
を示す図、第６図（ｂ）はプリルアン利得の距離分布データの総合
表示図、第７図は着目する場所ごとのプリルアン利得スペクトル
の算出処理フローを示す図である。ｌ・・・第１光源　　　　　　２・・・第２光源３・・
・被測定光ファイバ３−１．、３−２・・・ファイバの端末４・・・合分波
器４−１．４−２．４−３・・・合分波器の端末５・・・
光検出器７・・・光周波数制画装置Ｓ２・・・第２信号光６・・・信号処理装置Ｓ、・・・第１信号光第１図

Claims

【特許請求の範囲】

１、単一モード光ファイバ内に入射された光と、前記光
ファイバ内の音波との非線形相互作用により生じるブリ
ルアン散乱現象におけるプリルアン利得スペクトル幅と
温度の関係を利用することにより、前記光ファイバの温
度を測定することを特徴とする光ファイバを用いた温度
測定方法。