JPH06281510A

JPH06281510A - 分布型温度測定方法

Info

Publication number: JPH06281510A
Application number: JP5092318A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Nakamura; 一則中村; Sei Nimura; 聖仁村; Koichi Ishikawa; 公一石川; Takeshi Oohira; 壮大衡
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd; Tohoku Electric Power Co Inc
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd; Tohoku Electric Power Co Inc
Priority date: 1993-03-26
Filing date: 1993-03-26
Publication date: 1994-10-07

Abstract

(57)【要約】【目的】既設の通信用ＳＭ光ファイバを利用でき、既
設の光通信用半導体レーザを利用できる分布型温度測定
方法を実現する。【構成】光ファイバ中のストークス光および反ストー
クス光の後方散乱光強度を測定することにより光ファイ
バの長手方向の温度分布を測定する方法であり、１．３
μｍ帯の波長を使用する通信用単一モード光ファイバ１
１に１．５３μｍから１．５６μｍの範囲の波長の温度
測定用光を入射するようにした。請求項２では通信用単
一モード光ファイバ１１に送る温度測定用光を光源側に
おいてエルビウム添加ファイバの光増幅器により増幅す
るようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は既設の通信用単一モード
光ファイバ（ＳＭ光ファイバ）を用いた分布型温度測定
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、光ファイバの長手方向の温度を測
定する方法としてラマン効果を利用する方法がある。ラ
マン効果は光ファイバに注入された入射光の光子が光フ
ァイバ中の元素と反応してラマン光を発生することであ
る。

【０００３】ラマン光は図５に示す様に、入射光の波長
（Ａｃｍ^-1）に対して短波長側と長波長側にある幅をも
って発生する。短波長側のラマン光は反ストークス光と
呼ばれ、長波長側のラマン光はストークス光と呼ばれ
る。光ファイバのドープ材をケルマニュム（Ｇｅ）とし
たとき、反ストークス光は入射光の波長（Ａｃｍ^-1）に
対してＡ＋４２０〜Ａ＋４４０ｃｍ^-1の幅を持って発生
し、ストークス光は入射光の波長（Ａｃｍ^-1）に対して
Ａ−４２０〜Ａ−４４０ｃｍ^-1の幅を持って発生する。

【０００４】ここで「ｃｍ^-1」は光周波数の単位の１つ
である。通常のμｍとの換算式は次の通りである。

【０００５】ラマン効果を利用する温度測定は、ラマン
効果によって生じたストークス光と反ストークス光のう
ち、光の注入側（光源側）に戻ってくる光（後方散乱
光）を分光器で分離して受光し、ストークス光、反スト
ークス光の発生点及び大きさを検知し、それらに基づい
て温度の発生箇所及び温度を計測するものである。

【０００６】ラマン効果より生じるストークス光及び反
ストークス光の量は、光ファイバへの光子の注入量と光
ファイバのドープ材の含有量に比例するので、ストーク
ス光及び反ストークス光の量を多くするためには光ファ
イバへの光子の注入量を多くする必要がある。そのため
には光ファイバのコア径を大きくし且つドープ材である
Ｇｅの含有量を多くする必要がある。従って、従来の温
度測定には大口径で且つＧｅ添加量の多い特殊仕様の光
ファイバが用いられていた。

【０００７】従来の温度測定方式では特殊仕様の光ファ
イバを使用しているが、これに対し通信用単一モード光
ファイバ（ＳＭ光ファイバ）が利用できれば既設の光フ
ァイバケーブルや光ファイバと電力送電用の架空地線と
を複合化した光ファイバ複合架空地線（ＯＰＧＷ）を利
用して温度計測が可能になる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記の様に通
信用のＳＭ光ファイバを利用したシステムを実現しよう
とした場合、次のような問題があった。（ａ）光波長帯の選択光通信と同時に温度測定ができ、かつ低損失でラマン散
乱光の発生し易い波長帯を選択する必要がある。（ｂ）光源の安定化及び高出力化現在使用されている温度測定用光源は連続して使用する
場合、安定度が高くなく、安定化のために大規模な周辺
装置が必要となり、且つ手軽に光源の入手ができない。
一方、光通信用の光源は安定性は高いが高出力を得るこ
とができず、長距離温度測定が困難である。

【０００９】本発明の目的は、既設の通信用ＳＭ光ファ
イバを利用でき、また、既設の光通信用半導体レーザを
利用できる分布型温度測定方法を実現することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】既設の通信用光ファイバ
には１．３μｍ近傍に零分布散乱を持つＳＭ光ファイバ
が用いられている。また、この光ファイバは光通信用と
して長距離に亙って布設されているため、これを使用す
れば長距離にわたる温度測定が可能となる。本発明はこ
れらの点に着目して開発されたものである。

【００１１】本発明のうち請求項１の分布型温度測定方
法は、光ファイバ中のストークス光および反ストークス
光の後方散乱光強度を測定することにより光ファイバの
長手方向の温度分布を測定する方法において、１．３μ
ｍ帯の波長を使用する通信用単一モード光ファイバ１１
に１．５３μｍから１．５６μｍの範囲の波長の温度測
定用光を入射するようにしたものである。

【００１２】本発明のうち請求項２の分布型温度測定方
法は、請求項１の分布型温度測定方法において、通信用
単一モード光ファイバ１１に送る温度測定用光を光源側
においてエルビウム添加ファイバの光増幅器により増幅
するようにしたものである。

【００１３】本発明において、入射光波長を前記の様に
１．５３μｍから１．５６μｍに特定した理由を以下に
述べる。

【００１４】ＳＭ光ファイバを用いて長距離温度測定を
行うためには、ＳＭ光ファイバの低損失域である１．４
３６〜１．６６９μｍの帯域のストークス光及び反スト
ークス光を使用する必要がある。そのためには次の理由
で入射光波長を１．５２μｍ〜１．６０μｍとすること
が望ましい。

【００１５】．ストークス光の赤外吸収の影響を無く
す必要があること。ラマン散乱のストークス光は前記の様に入射光の波長に
対して４２０〜４４０ｃｍ^-1分だけ長波長側にシフトす
るため、入射光の波長が１．５２〜１．６０μｍの場
合、ストークス光は前記（１）式より１．６２〜１．７
２μｍの範囲に発生する。しかし、ＳＭ光ファイバは図
１に示す様に１．７０μｍより長波長側では格子振動に
よる赤外吸収によりストークス光は強く減衰される。ま
た、１．６６９μｍより短波長帯では１．５μｍ帯の損
失特性とほぼ同様の特性が得られ、ＳＭ光ファイバの布
設状態に応じて加わる曲げや側圧の影響が無いことを実
験により実証した。このためストークス光は１．６３５
〜１．６６９μｍの範囲で使用することが必要である。

【００１６】．反ストークス光のＯＨ吸収の影響を無
くす必要があること。ラマン散乱の反ストークス光は前記の様に入射光の波長
に対して４２０〜４４０ｃｍ^-1分だけ短波長側にシフト
するため、入射光の波長が１．５２〜１．６０μｍの場
合、反ストークス光は前記（１）式より１．４２５〜
１．４９５μｍの範囲に発生する。しかしＳＭ光ファイ
バは図１に示す様に１．３７０〜１．４３６μｍの範囲
でファイバ中の微量不純物であるＯＨ吸収による損失に
より、反ストークス光は強く減衰される。また、ＯＨ吸
収による損失特性はメーカーによってばらつくことも考
えられるので、数社のＳＭ光ファイバについて波長損失
特性を測定した結果、図１で示すような特性としてほぼ
見なせることを実験により実証した。このため反ストー
クス光は１．４３６〜１．４７０μｍの範囲で使用する
ことが必要である。

【００１７】上記のストークス光の使用範囲１．６３５
〜１．６６９μｍ及び反ストークス光の使用範囲１．４
３６〜１．４７０μｍの範囲から、１．４３６〜１．６
６９μｍの領域を使用するのがよいことになる。この領
域は光通信で使用する１．３μｍ帯の領域に影響を与え
ないように十分に分離可能であるため、通信用に使用し
ているＳＭ光ファイバを温度測定用としてそのまま共用
することができる。

【００１８】しかし、入射光の波長が１．５２μｍのと
きの反ストークス光は前記（１）式より、となり、１．４２５μｍ〜１．４２８μｍの波長幅で発
生する。しかし、この波長幅は図１の様にＯＨ吸収帯に
入って損失が大きくなる。

【００１９】それに対して入射光の波長が１．５３μｍ
ならば反ストークス光は、前記と同様の計算を行って、
１．４３６μｍ〜１．４３８μｍの波長幅で発生するた
め、図１の様にＯＨ吸収は大きく軽減されるで入射光
（温度測定用光）の下限波長を前記の様に１．５３μｍ
とした。

【００２０】次に、入射光の長波長限界を考えると、
１．６０μｍの入射光に対し、ストークス光は、となり、１．７１５μｍ〜１．７２１μｍの波長幅で発
生する。

【００２１】しかし、１．７０μｍより長波長域の光は
図１の様に赤外吸収が大きく、損失が大きくなる。ま
た、通常布設されている光ケーブルには曲げや側圧が加
わっており、工法上、曲げ径が規定されている。規定曲
げ径での曲げによる長波長側の損失を評課した結果、
１．６７μｍより長波長側ではこの影響を受け易くな
る。この影響を受けないようにするためには、入射光に
対して発生するストークス光が１．６７μｍより短波長
側になる様にする必要がある。そのためには前記（１）
より入射光を１．５６μｍ以下にしなければならないの
で入射光（温度測定用光）の上限波長を前記の様に１．
５６μｍとした。

【００２２】本発明では光源を高安定、高出力化するの
が望ましい。従来の温度測定に使用されている高出力光
源にはＧａＡｓ系半導体レーザ（０．９μｍ）やＮｄ：
ＹＡＧ固体レーザ（１．１μｍ）等があるが、これらは
汎用性が低く、また温度測定用として安定性が低いた
め、安定度を高めるためには大規模な周辺装置が必要と
なる。このため汎用性が高く且つ連続使用において高安
定性を有する光通信用の１．５５μｍ帯ＩｎＧａＡｓＰ
系半導体レーザを使用することが考えられる。この半導
体レーザは上述の１．５３〜１．５６μｍ帯において、
レーザ活性層を構成する化合物半導体の組成比をわずか
に変化させることで発光波長を容易に設定できるため、
長距離温度測定用としては望ましい光源である。しか
し、出力が小さいためこれをそのまま使用することはで
きない。

【００２３】入射光強度と発生するラマン散乱光は入射
する光源の強度に比例するので、入射光強度を高くすれ
ばするほど長距離計測が容易となる。しかし、前記の光
通信用半導体レーザの出力は１０ｍＷ程度なので、これ
を光源とするとせいぜい数十ｍ程度の距離しか測定でき
ない。このため、本発明では前記請求項２の様に、温度
測定光の光源は光通信用半導体レーザとし、この出力を
エルビウム添加ファイバの光増幅器で増幅して光ファイ
バに注入するようにした。

【００２４】しかし、あるレベル以上の光を入射すると
非線形光学効果（誘導ラマン散乱と呼ばれている）が生
じて正確な温度測定ができなくなることがある。実際、
ＳＭ光ファイバを用いたとき、評課実験では図２に示す
様に入射端において約３Ｗで誘導ラマン散乱が発生し
た。従って、誘導ラマン散乱を発生させないためには入
射光強度を３Ｗ以下にしなければならない。

【００２５】光増幅器は従来、連続した光信号の増幅に
使用されており、温度測定用としてのパルス信号を増幅
した場合はパルス幅が大きくなるに従って光増幅器の飽
和現象（図３）により所要のパルス出力が得られなくな
る。実測した結果、パルス幅２００ｎｓｅｃで３Ｗの出
力が得られ、増幅効率は７２％と良好であった。このこ
とから通信用半導体レーザの出力を光増幅器で増幅した
光パルスは本測定方法に適用できることを確認した。

【００２６】以上の説明より、請求項２の様に光通信用
半導体レーザと光増幅器を組み合わせることにより、
光出力−誘導ラマン散乱特性、光増幅器のパルス特
性、安定性のいずれの観点からも長距離用の分布型温
度測定方法として適合できる。

【００２７】

【作用】本発明のうち請求項１の分布型温度測定方法で
は、１．３μｍ帯の波長を使用する通信用単一モード光
ファイバ（ＳＭ光ファイバ）に１．５３μｍから１．５
６μｍの範囲の波長の温度測定用光を入射するので、ス
トークス光の赤外吸収の影響が殆ど無く、反ストークス
光のＯＨ吸収の影響も殆ど無く、ＳＭ光ファイバを用い
ても損失が少なくなり、ＳＭ光ファイバをそのまま長距
離温度測定に用いることができる。

【００２８】本発明のうち請求項２の分布型温度測定方
法では、請求項１の分布型温度測定方法において、ＳＭ
光ファイバ１１に送る温度測定用光をエルビウム添加フ
ァイバの光増幅器により増幅するので、入射光強度を高
くして発生するラマン散乱光を高くし（発生するラマン
散乱光は入射光源の強度に比例する）、長距離計測が可
能である。

【００２９】

【実施例】本発明の分布型温度測定方法を、図４に示す
分布型温度測定装置により測定する場合を例として説明
する。図４に示す分布型温度測定装置はパルス信号発生
器１、光源２、光増幅器３、光方向性結合器４、光フィ
ルタ５、反ストークス光用Ｏ／Ｅ変換器６、ストークス
光用Ｏ／Ｅ変換器７、データ処理部８、光通信用光源
９、光結合器１０、光ファイバ１１で構成される。光増
幅器３はエルビウム添加ファイバの光増幅器、光ファイ
バ１１は通信用のＳＭ光ファイバである。

【００３０】図４の分布型温度測定装置では、光源２か
ら出力される光がパルス信号発生器１により光パルスと
して出力され、光増幅器３で約２Ｗに増幅されて光方向
性結合器４に入射され、同光方向性結合器４から光結合
器１０へ送られる。

【００３１】この光パルスは光結合器１０において、光
通信用光源９から出力された光信号と合成され、光ファ
イバ１１に注入される。光ファイバ１１は被測定物もし
くは雰囲気中に設置され、この中を光が通過する際にそ
の周囲温度に応じてラマン散乱光を発生し、このラマン
散乱光が入射端側に戻る。光ファイバ１１より戻ってく
るラマン散乱光は光結合器１０、光方向性結合器４を経
由して光フィルタ５でストークス光と反ストークス光に
分離される。

【００３２】反ストークス光とストークス光は反ストー
クス光用Ｏ／Ｅ変換器６、ストークス光用Ｏ／Ｅ変換器
７で夫々電気信号に変換され、データ処理部８へ送られ
る。このデータ処理部８において、これらの電気信号を
もとに光ファイバ１１の長手方向（布設方向）の温度分
布が演算処理される。

【００３３】図４の実施例において、光通信用半導体レ
ーザ（光通信用光源９）の出力１０ｍＷ、光増幅器３の
出力２Ｗとすると、距離１０ｋｍまでの分布型温度セン
シングが可能となり、温度分解能±１０℃、距離分解能
４０ｍが可能であることが確認できた。

【００３４】

【発明の効果】請求項１、２の分布型温度測定方法は
１．５３μｍから１．５６μｍの範囲の波長の入射光を
使用するので次の様な効果がある。．既設の通信用のＳＭ光ファイバを使用して長距離の
分布型温度測定が可能となる。．光ファイバ中の曲げ損失の影響を受けにくくなり、
長距離の温度測定がより一層容易になる。．光通信を停止することなく長距離の温度計測が可能
となる。

【００３５】請求項２の分布型温度測定方法はＳＭ光フ
ァイバ１１に送る温度測定用光をエルビウム添加ファイ
バの光増幅器３により増幅するので次の様な効果があ
る。．温度測定用の光信号をエルビウム添加ファイバによ
る光増幅器で増幅するので、入射光強度が高くなり、発
生するラマン散乱光強度が高くなり、長距離計測が可能
となる。．光源も光通信用半導体レーザを使用できるため、安
定性、汎用性が高くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＳＭ光ファイバの波長適用領域（実測例）の説
明図。

【図２】誘導ラマン散乱発生領域（実測例）の説明図。

【図３】光増幅器のパルス出力特性（実測例）の説明
図。

【図４】本発明の分布型温度測定方法の説明図。

【図５】入射光に対するストースク光と反ストースク光
の発生状態を示す説明図。

【符号の説明】

１はパルス信号発生器２は光源３は光増幅器４は光方向性結合器５は光フィルタ６は反ストークス光用Ｏ／Ｅ変換器７はストークス光用Ｏ／Ｅ変換器８はデータ処理部９は光通信用光源１０は光結合器１１は光ファイバ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者石川公一宮城県仙台市青葉区中山７丁目２番１号東北電力株式会社応用技術研究所内 (72)発明者大衡壮宮城県仙台市青葉区中山７丁目２番１号東北電力株式会社応用技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光ファイバ中で発生するラマン散乱のス
トークス光および反ストークス光の後方散乱光強度を測
定することにより光ファイバの長手方向の温度分布を測
定するようにした分布型温度測定方法において、１．３
μｍ帯の波長を使用する通信用単一モード光ファイバに
１．５３μｍから１．５６μｍの範囲の波長の温度測定
用光を入射することを特徴とする分布型温度測定方法。
【請求項２】請求項１の分布型温度測定方法におい
て、温度測定用光を光源側においてエルビウム添加ファ
イバの光増幅器により増幅し、光ファイバに入射したこ
とを特徴とする分布型温度測定方法。