JPS63217257A - 光フアイバケ−ブルの水素検出方法 - Google Patents

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、長尺な通信用光ファイバケーブルに水素ガス
が侵入した際に、その侵入水素ガス量及びその侵入位置
を迅速かつ正確に検出する方法に関するものである。

［従来の技術とその問題点］ 一般に光ファイバが水素ガス中に置かれた場合、拡散減
少によって水素分子が光フアイバ内に侵入する。このよ
うな光ファイバ内拡散水素分子は、光ファイバに対して
、水素分子自身の赤外吸収に起因する損失増加をもたら
すばかりでなく、光ファイバとの化学反応によって徐々
にＯＨ基に変化することによって、ＯＩ（基吸収に起因
した損失増加現象をもひき起こす。このため、通信用光
ファイバケーブル内に水素が発生し、該水素が光フアイ
バ内に侵入した場合、その侵入位置及び侵入量を迅速に
求めて適切な処置を講じることにより、水素ガス侵入に
よる光ファイバの伝送損失の増加を抑制し、通信途絶等
の事態を未然に防止しなければならない。

一般に、水素ガスの侵入によって生じる光ファイバの吸
収は、特有の波長スペクトルを有している。従って、従
来、光ファイバの吸収損失スペクトルを測定することに
よって、光フアイバ内への水素ガスの侵入の有無あるい
はその量が求められていた。第４図は３Ｘ１０１８個／
　ｃｍ　１１１＋７）濃度で水素分子が侵入した光ファ
イバの損失増加分のスペクトルである。

第４図より、水素分子の侵入によって、損失スペクトル
中に多数の損失ピークが現れるのが理解できる。これら
のピークの中でも特に大きいのは波ｉ　１．２４μｍに
現れるものであり、そのピークにおける損失値は、１０
ｄＢ／ｋｆｆｉにも達する。この、水素分子による吸収
は、光フアイバ中に侵入した水素分子の濃度に比例する
。従って、光ファイバの損失スペクトルを測定し、波長
１．２４μｍの損失ピークの大きさを求めることにより
、水素分子の侵入の有無、及び平均的な水素分子濃度を
知ることができる。

また、第４図からもわかるように水素分子の侵入による
光ファイバの損失は、波長１．２４μｍにおいて特に顕
著である。このため、波長１．２４μｍの光源を用いて
、この波長における光フアイバ損失を求め、その結果か
ら光フアイバ中への水素分子の侵入の有無を判断するこ
とも従来行われていた。しかし、これらの方法では光フ
アイバ中の水素分子の平均的な濃度は求まるが、光ファ
イバの一部分に水素分子が侵入した場合、光ファイバの
端部からその侵入位置までの距離あるいは侵入の起った
範囲を知ることができないという欠点がある。

光ファイバの一部に水素分子が侵入した場合に発生する
光ファイバの局所的な損失増加は、光ファイバに、波長
幅が約数ｎｍ以下、時間幅が数μｓ以下の光パルスを入
射し、この光パルスが光ファイバを伝幡する際に発生す
る散乱光強度の時間変化を観測する方法がある。この方
法は、一般にはパルス試験と呼ばれているものである。

第５図に、パルス試験で得られる後方散乱光の波形を示
す。実線１１で示した波形は通常の光ファイバに対する
観測波形であり、破線１２で示した波形は、光ファイバ
の一部区間１３で水素が侵入した光ファイバに対する観
測波形を示す。図中の観測波形の傾斜は、光ファイバの
局所的な損失値を表わす。従って、一部区間に水素が侵
入した光ファイバではこの部分の損失が増大し、傾斜が
急となる。このため、光ファイバに対する観測波形の傾
斜が増大している部分を検索することにより、水素侵入
部分を検出することができる。しかし、従来のパルス試
験において、半導体レーザを光源として用いたものは、
光源出力が微弱であるため光フアイバ全体の損失が２０
ｄＢを超える場合には、一般に光フアイバ全域にわたっ
て損失変動を検索することが不可能であるという欠点を
有する。そこでこの欠点を補うために、光源として、Ｎ
ｄ：ＹＡＧレーザーを用い、光源出力を半導体レーザー
に比べて大幅に大きくしたパルス試験が行われる。しか
し、Ｎｄ　：　ＹＡＧレーザーを光源として用いた場合
、その光源の波長が１．０６μｍあるいは１．３２μｍ
に限定される。第４図からもわかるように、これらの波
長における水素分子の侵入による損失増加は、波長１．
２４μｍにおける損失増加の１／２０以下でしかない。

このため、Ｎｄ：ＹＡＧレーザを用いたパルス試験では
、波長１．２４μｍの光源を用いた場合に比べてその検
出水素濃度の限界が大幅に劣化するという欠点がある。

本発明の目的は、波長１．２４μｍの高出力光源を存し
た光パルス試験によって光フアイバ中に侵入した水素の
濃度、侵入位置の検出精度を大幅に向上させた光フアイ
バ中の水素検出方法を提供することにある。

［問題点を解決するための手段とその作用〕本発明は、
波長１．２４μｍの高出力パルス光の発生を光ファイバ
の誘導ラマン散乱効果によって実現することを主要な特
徴としており、水素検出感度の高い波長１．２４μｍで
、しかも長尺な光ファイバに対して適用可能な高出力光
源と水素侵入位置検出が可能なパルス試験方式とを同時
に実現した点において従来技術とは異なるものである。

一般に物質に単一波長の光を照射すると、照射された光
と、物質を構成する分子の固有振動との相互作用によっ
て、ラマン散乱と呼ばれる非線形散乱現象が起こる。こ
のラマン散乱によって発生する散乱光は、通常ストーク
ス光と呼ばれ、入射光に対して、物質を構成する分子の
固有振動の振動数分だけ、その振動数が小さくなる特徴
がある。

通常、このストークス光は、照射光に比べて非常に微弱
であるが、照射光のパワー密度が大きく、物質中の透過
距離が長い場合、ストークス光強度が非常に大きくなり
、照射光のほとんどがストークス光に変換される現象が
起こる。これを誘導ラマン散乱現象と呼び、通常の単一
モード光ファイバに数十ワット程度の光を入射すること
により容易に実現することができる。

本発明ではパワー密度の大きい照射光として波長１．０
８μｍのＮｄ　：　ＹＡＧレーザーを用い、これをＰあ
るいはＧｅを添加した単一モード光ファイバに入射させ
、誘導ラマン散乱効果によりＯＨ基に敏感な波長ｌ、２
４μｍの高出力パルス光を発生させ、これを光源とし光
パルス試験により光フアイバ中に侵入した水素を検出す
るものである。

［実施例］ 第１図に、本発明の第１の実施例を示す。２１は、波長
１．０８４μｍでパルス発振するＮｄ：ＹＡＧレーザ−
，２２は、リンを含む石英系光ファイバ、２３は、波長
１．２４μｍの光のみを透過する波長フィルタ、２４は
、光方向性結合器であり、例えば光音響効果形光偏向素
子、偏光プリズム等が使用可能である。２５は、波長１
．２４μｍの光に対して感度を有し、概ね１００　ｋＨ
２以上の帯域を有する光検出器であり、例えばゲルマニ
ウムアバランシェフォトダイオードが使用可能である。

また、２６は、信号処理及び表示装置であり、２７は被
測定光ファイバである。

Ｎｄ　：　ＹＡＧレーザ２１から発した光パルスは光フ
ァイバ２２に結合され、この中を伝幡する。

この際、伝幡する光パルスは光ファイバ２２の誘導ラマ
ン散乱効果によって波長が変換され、波長１．２４μｍ
の光パルスが発生する。第２図は、コア中のリン濃度１
４Ｉｌｏ１％、長さ６００ｍの光ファイバに、１００Ｗ
のＮｄ：ＹＡＧレーザ光を入射した場合に出射する光の
分光強度特性である。

第２図により分るように、波長ｌ、２４μｍにおいて約
１８Ｗの強度を持った光を得ることができる。

光ファイバ２２によって発生した光は、波長１．２４μ
ｍ以外の成分を含んでいるため、波長フィルタ２３によ
って、その波長１．２４μｍ以外の成分を除き、波長１
．２４μｍの成分のみを光方向性結合器２５に向かって
透過させる。光方向性結合器２５は、光ファイバ２２か
ら入射する光を被測定光ファイバ２７に結合し、被測定
光ファイバ２７から入射する光を光検出器２５に結合す
る。

このため、光ファイバ２２から出射した波長１．２４μ
ｍの光パルスは方向性結合器２４を介して被測定光ファ
イバ２７に入射される。この時被測定光ファイバ２７中
を伝幡する光パルスによってレーリー後方散乱光が発生
し、これは、彼Ｍ１定光ファイバ２７の入射端から光方
向性結合器２４を介して光検出器２５に入射する。光検
出器２５の信号波形は処理及び表示装置２６によって処
理され表示される。

上記の構成を用いることにより、強度５Ｗ、幅２００ｎ
ｓの光パルスを被測定光ファイバ２７に入射することが
可能である。この時、被測定光ファイバ２７の入射端近
傍で発生し、光検出器２５に入射するレーリー後方散乱
光強度は一２４ｄＢｍ程度となる。また、光検出器２５
による後方散乱光の検出限界強度は、処理装置による平
均化処理等の技術によって、　９０ｄＢｍ程度を達成す
ることができる。従って、後方散乱光の検出のダイナミ
ックレンジは光レベルで約６．６ｄＢとなる。後方散乱
光強度は、被測定光ファイバ２７の入射端から散乱点ま
での往復損失によって減衰を受けるから、６６ｄＢの検
出ダイナミックレンジによって、入射端からの片道損失
が３３ｄＢまでの被測定光ファイバに対して検出が可能
である。現在、１，５μｍ帯伝送用に用いる光ファイバ
の波長１．２４μｍでの伝送損失は概ね−０，６ｄＢ／
１ｍ以下である。従って本発明による方式を用いること
によって、５０ｋＩｎ以上の長尺光ファイバの監視を行
うことが可能である。一方、光源に半導体レーザを用い
た方式では、入射端から２０ｄＢ程度までの損失領域し
か測定することができない。従って、この方式では約３
０ｂ程度までしか監視することができない。このように
本発明による方式を用いることにより、監視可能な距離
を大幅に拡大することができる。

本発明の第２の実施例として光ファイバ２２にゲルマニ
ウムドープ石英光ファイバを用いたものがある。第３図
はゲルマニウムを７　ｓｏ１％含んだ７００ｍの光ファ
イバに７０ＷのＮｄ：ＹＡＧレーザ光を入射した場合の
出射口の分光強度を示す。

第３図より、波長１．２４μｍの光成分が、誘導ラマン
散乱効果によって発生していることがわかる。

従ってゲルマニウムドープ光ファイバを用いた実施例に
よっても、先に説明したリンドープファイバを用いた場
合と同様の効果を得ることができる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明による光ファイバケーブル
の水素検出方法を用いることにより、光ファイバケーブ
ルの片端から５０１ａ１１を超える地点までの長尺な区
間において、光フアイバ中への水素侵入量及びその侵入
位置の監視を行うことができる。従って、ケーブルの両
端から監視を行うことによって、１００ｋ１以上の長尺
光ファイバケーブル伝送路に適用することが可能となる
利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明するための、光ファイバケ
ーブルの水素検出装置の概略構成図である。第２図はリ
ンドープ光ファイバの誘導ラマン散乱光の波長特性を示
すグラフである。第３図はゲルマニウムドープ光ファイ
バの誘導ラマン散乱光の波長特性を示すグラフである。 第４図は水素侵入による光ファイバの損失増加の波長特
性を示すグラフである。第５図は、光ファイバのパルス
試験によって得られる測定結果の一例を示すグラフであ
る。 １１・・・水素侵入のない光ファイバの測定波形、１２
・・・水素侵入のある光ファイバの測定波形、１３・・
・水素侵入区間、１４・・・光ファイバの終端、２ｌ−
Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（１，０８４μｍでパルス発振）、
２２・・・誘導ラマン励起光ファイバ、２３・・・波長
フィルタ、２４・・・光方向性結合器、２５・・・光検
出器、２６・・・信号処理及び表示装置、２７・・・被
測定光ファイバ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）波長１．０６μｍの光パルスを発するＮｄ：ＹＡ
   Ｇレーザと、該光パルスを入射することによって波長１
   ．２４μｍの成分を有する光パルスを発する光ファイバ
   と、該光パルス中の波長１．２４μｍの成分のみを選択
   的に透過する光フィルタとからなる光源部を用い、該光
   源部から発する波長１．２４μｍの光パルスを被測定光
   ファイバに入射して、この時該被測定ファイバ中で発生
   し、該被測定ファイバから出射する後方散乱光を、該後
   方散乱光の光路を該被測定ファイバへの入射光パルスの
   光路から分離する手段を介して光検出器に導き、該光検
   出器による検出波形から該被測定光ファイバ中の水素侵
   入量及びその侵入位置の検出を行うことを特徴とする光
   ファイバの水素検出方法。
2. （２）波長１．２４μｍの成分を有する光パルスを発す
   る光ファイバとして該光ファイバのコア中にリンを含む
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光ファイ
   バケーブルの水素検出方法。
3. （３）波長１．２４μｍの成分を有する光パルスを発す
   る光ファイバとして該光ファイバのコア中にゲルマニウ
   ムを含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   光ファイバケーブルの水素検出方法。