DE2835491A1 - Anordnung zum messen von eigenschaften von lichtleitfasern - Google Patents

Description

• Anordnung zum Messen von Eigenschaften von
• Lichtleitfasern Stand der Technik Die Erfindung betrifft eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Eine derartige Anordnung ist bekannt aus dem Aufsatz von S.D.Personick:"Photon Probe - An Optical-Fiber Time-Domain Reflectometer", in Bell Systems Technical Journal, März 1977, S. 355-366. Sie dient dazu, Fehlerstellen in Lichtleiterfasern durch eine Messung der Laufzeit des Lichts vom Faseranfang bis zur Fehlerstelle, an der es reflektiert wird, und zurück zum Faseranfang festzustellen. Außerdem läßt sich damit die Dämpfungsverteilung auf der Faserstrecke abschätzen.
• Als Strahlenteiler zur Trennung des in der Lichtleitfaser reflektierten Lichts vom in die Lichtleitfaser eingestrahlten Licht weist diese Meßanordnung einen teildurchlässigen Spiegel auf. Ein solcher Strahlenteiler verursacht zwangsläufig Strahlungsverluste, so daß ein gewisser Anteil des von dem Lichtsender erzeugten Lichts für die Messungverlorengeht.
• Außerdem hat diese Anordnung den wesentlichen Nachteil, daß bereits am Fasereingang ein beträchtlicher Anteil des vom Lichtsender kommenden Lichts auf den Lichtempfänger reflektiert wird und diesen und die nachgeschaltete elektronische Auswerteeinrichtung für eine Zeitlang unempfindlich gegen weitere Smpfangssignale macht.
• Aufgabe Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Meßanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die den störenden Einfluß von Reflexionen am Fasereingang ausschaltet und Strahlungsvetluste am Strahlenteiler weitgehend vermeidet.
• Lösung Die Aufgabe ist wie im Patentanspruch 1 angegeben gelöst.
• Weiterbildungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
• Vorteile Mit der Erfindung ist eine vielseitig verwendbare Meßanordnung geschaffen, die ohne Umrüstung für unterschiedliche Meßaufgaben verwendbar ist. Die Faserdämpfung kann in Transmission, Reflexion oder über Rückstreuung gemessen werden, die Ubertragungsbandbreite bzw. die Dispersion in Transmission oder Reflexion und die Fehlerortung und Faserlänge in Reflexion.
• Daher können Ergebnisse, die nach verschiedenen Meßverfahren erzielt wurden,ohne Schwierigkeiten miteinander verglichen werden, so daß die Fasereigenschaften genauer und reproduzierbarer meßbar sind.
• Beschreibung Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert.
• Es zeigen: Fig.1 den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Meßanordnung, und Fig.2 eine Ausführungsform des in Fig.1 symbolhaft dargestellten Strahlenteilers.
• Die Meßanordnung nach Fig.1 enthält einen. Generator 1, der elektrische Signale, beispielsweise Impulse, erzeugt, und einen Lichtsender 2, der die elektrischen Signale in Lichtsignale umwandelt. Das vom Lichtsender 2 ausgesendete Licht wird mittels einer Sende-Fokussiereinrichtung 3 auf einen symbolhaft dargestellten Strahlenteiler 4 fokussiert und dort in ein Meß- und ein Referenzsignal aufgespalten. Das Meßsignal wird vom Strahlenteiler 4 aus über eine Vorlauf-Lichtleitfaser 5 und eine Faserkoppeleinrichtung 6 in die zu messende Lichtleitfaser 7 eingekoppelt.
• Das optische Referenzsignal, das ein Maß für die in die Faser eingekoppelte Lichtleistung ist, gelangt über eine Fokussiert einrichtung 8 auf einen Referenz-Lichtempfänger 9, dessen elektrisches Ausgangssignal bei der Auswertung des Meßsignals mitverwendet wird.
• Beim Durchgang durch die zu messende Faser 7 wird ein Anteil des eingekoppelten Lichts rückgestreut bzw. an Faserinhomogenitäten reflektiert. Dieses rückgestreute bzw. reflektierte Licht gelangt über die Vorlauf- Lichtleitfaser 5 auf den Strahlenteiler 4, der nun die Funktion erfüllt, den Sende- und den Empfangsweg des Lichts voneinander zu trennen. Im gleichen Verhältnis, in dem sendeseitig Meß- und Referenzsignal aufgespalten wurden, wird hier ein Teil der aus der Faser zurückkommenden Lichtleistung über eine Empfangs-Fokussiereinrichtung 10 auf einen Lichtempfänger 11 gegeben, dessen elektrisches Ausgangssignal nun zur Meßwerterfassung zur Verfügung steht. Die Messung.
• erfolgt in diesem Falle in Reflexion bzw. Rückstreuung.
• Dieses Meßsignal wird nun zusammen mit dem erwähnten Referenzsignal und einem Steuersignal vom Ausgang des Generators 1 einer für die jeweils gegebene Meßaufgabe geeignetc Auswerteeinrichtung, beispielsweise einem Oszillographen, zugeführt.
• Falls übertragungseigenschaften der Lichtleitfaser in Transmission gemessen werden sollen, wird der Lichtanteil, der nach Durchgang durch die Faser an ihrem entfernten Ende austritt, über eine weitere Fokussiereinrichtung 12 auf einen weiteren Lichtempfänger 13 gegeben, dessen elektrisches Ausgangssignal ebenfalls der Auswerteeinrichtung gemeinsam mit dem Steuersignal und dem Referenzsignal zugeführt wird.
• In diesem Fall dient der Strahlenteiler 4 zur reflexionsarmen Einkopplung des Meßsignals in die zu messende Faser 7.
• Im folgenden wird der symbolhaft angedeutete Strahlenteiler 4 anhand der Fig.2 erläutert. Auf die Funktion der Vorlauf-Lichtleitfaser 5 wird später eingegangen.
• Eine Lichtleitfaser 20, deren vorderes Ende abgemantelt ist, ist mit einem durchsichtigen Kleber 21, dessen Brechungsindex dem Fasermaterial angepaßt ist, auf eine Platte 22 aus durchsichtigem Material, beispielsweise ein Glas- oder Quarzsubstrat aufgeklebt, so daß das vordere Ende dieser Lichtleitfaser 20 parallel zur Ebene der Platte 22 liegt. Zusammen mit der Platte 22 ist die Stirnfläche 23 der Lichtleitfaser 20 unter einem bestimmten Winkel <e schräg angeschliffen und poliert. Auf diese angeschliffene Stirnfläche 23 fokussiert nun die Sende-Fokussiereinrichtung 3 (Fig.1) das vom Lichtsender 1 abgestrahlte Licht. Die Sende-Apertur dieser Fokussiereinrichtung 3 ist zum Zwecke einer verlustarmen Einkqpplung des gesendeten Lichtes in die Lichtleitfaser 20 an deren numerische Apertur anpaßbar. Der Betrag des Anschliffwinkels y ergibt sich aus der Forderung, daß die Sende-Apertur der Sende-Fokussiereinrichtung 3 nach Brechung des vom Lichtsender 2 stammenden Lichts an der angeschliffenen Stirnfläche 23 ohne Lichtverlust in den Raumwinkelbereich innerhalb der Lichtleitfaser 20 übergehen soll, der derer numerischer Apertur AN entspricht. Beispielsweise ist bei AN=0,2 ein Anschliffwinkel r von 300 günstig für die volle Anregung aller Fasermoden. Es ergibt sich dann ein Strahlenteilerverhältnis von 1:20, d.h. von der gesendeten Lichtleistung wird ein Anteil von 95 % in die Faser 20 eingekoppelt und nur der Rest von 5 % als Referenzsignal an der Stirnfläche 23 reflektiert.
• Da das Lot auf die Stirnfläche 23 nicht parallel zur optischen Achse der Lichtleitfaser 20 verläuft, sondern unter dem Anschliffwinkel t dagegen geneigt ist, wird das Licht vom Lichtsender 2 nicht parallel zum Lot eingekoppelt, sondern unter einem Winkel t der sich gemäß dem Brechungsgesetz nach sinkt = n-sin fergibtt wobei n der Brechungsindex der Lichtleitfaser 20 ist (n 1,46).
• Das von der Lichtleitfaser 20 nach Rückstreuung oder Reflexion auf die Faserstirnfläche 23 treffende Licht wird, wie bereits erwähnt, im Teilungsverhältnis des Strahlenteilers (20:1) zum Lichtempfänger 11 hin reflektiert bzw. zum Lichtsender 10 hin gebrochen, so daß hier der entsprechende Anteil der zurückkommenden Lichtleistung im Lichtempfänger empfangen werden kann. Die Richtung, in die dieses Licht reflektiert wird (zum Lichtempfänger), unterscheidet sich deutlich von der Richtung, in die ein Anteil des direkt vom Lichtsender stammenden Lichts reflektiert wird (zum Referenzempfänger), so daß die Messungen mit Sicherheit nicht durch Eingangsreflexionen an der Faserstirnfläche 23 gestört werden.
• Die Empfangs-Fokussiereinrichtung 10 ist so justiert, daß sie im aus der Lichtleitfaser 20 empfangenen Licht genau den Rern der Faserstirnfläche 23 format füllend auf die Detektorfläche des Lichtempfängers 11 abbildet. Auf diese Weise wird unerwünschtes Streulicht vom Lichtempfänger 11 ferngehalten.
• Zur Befestigung des Strahlenteilers nach Fig.2 innerhalb der gesamten Meßanordnung nach Fig.1 enthält die Platte 22 nicht gezeigte Bohrungen zur Aufnahme von Halteschrauben, mittels derer der Strahlenteiler auf einer geeigneten Haltekonstruktion bezüglich der Fokussiereinrichtungen 3, 8 und 10 justierbar befestigt ist.
• Zu erläutern bleibt nun noch die Vorlauf-Lichtleitfaser 5 (Fig.1) Diese ist einerseits über die Faserkoppelvorrichtung 6 mit der zu messenden Lichtleitfaser 7 und andererseits über eine Faserkoppelvorrichtung 13 mit dem einen Ende der Lichtleitfaser 20 verbunden, deren anderes Ende, wie in Fig.2 gezeigt, schräg angeschliffen ist. Die Lichtleitfaser 20 ist nicht länger, als dies aus konstruktiven Gründen notwendig ist, also etwa 10 bis 20 cm.
• Die Vorlauf-Lichtleitfaser 5 erfüllt mehrere Aufgaben: Sie dient dazu, einen vom Lichtsender 2 ausgesendeten Lichtimpuls bis zu seinem Eintreffen am Lichtempfänger 11 mindestens so lange zu verzögern, bis der Lichtempfänger nach der Erzeugung des elektrischen Impulses, von der er unvermeidbar beeinflußt wird, wieder in seinen Ruhezustand zurückgekehrt ist.
• Außerdem soll auf der Lichtleitfaserstrecke zwischen dem Strahlenteiler 4 und der Faserkoppelvorrichtung 6 ein Gleichgewicht der Moden hergestellt werden. Das heißt, am Eingang der zu messenden Lichtleitfaser 7 sollen genau diejenigen Moden auftreten, die auf der ganzen Lichtleitfaser 7 bestehen bleiben. Anders ausgedrückt: Die Vorlauf-Lichtleitfaser 5 unterdrückt die Moden, die in der zu messenden Lichtleitfaser 7 nicht voll ausbreitungfähig sind. Um diese Aufgabe zu erfüllen, muß die Vorlauf-Lichtleitfaser 5 eine Länge von mehreren hundert Metern haben und vom gleichen Fasertyp sein wie die zu messende Lichtleitfaser 7.
• Falls die Meßanordnung nur für Messungen eines einzigen Faser typs ausgelegt sein soll, ist es möglich eine Vorlauf-Lichtleitfaser dieses Fasertyps an einem Ende wie die Lichtleitfaser 20 (Fig.2) schräg anzuschleifen, anstatt sie über die Faserkoppelvorrichtung 13 an eine solche Lichtleitfaser 20 anzukoppeln. Anders ausgedrückt: Die schräg angeschliffene Lichtleitfaser 20 kann auch die Vorlauf-Lichtleitfaser 5 selbst sein.
• Die Faserkoppelvorrichtungen 6 und 13 sind Vorrichtungen, in die von zwei Seiten die zu koppelnden Faserenden eingespannt und gegenseitig beliebig in den drei Raumkooridnaten präzise verschoben werden können, bis ihre optischen Achsen miteinander fluchten. Der Abgleich dieser Koppelstellen auf maximale Transmission erfolgt durch Minimisierung des dort reflektierten Signals und durch eine Anpassung des Brechungsindexes mittels eines auf die Koppelstelle aufgebrachten Tropfens einer dazu geeigneten Flüssigkeit.
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Claims (1)

1. Patentansprüche 1. Anordnung zum Messen von Eigenschaften von Lichtleitfasern, bei der Licht von einem Lichtsender über einen Strahlenteiler in eine Vorlauf-Lichtleitfaser und von dort in die zu messende Lichtleitfaser eingekoppelt wird und bei der das in der Vorlauf-Lichtleitfaser oder in der zu messenden Lichtleitfaser reflektierte oder rückgestreute Licht am Strahlenteiler von dem direkt vom Lichtsender kommenden Licht getrennt und auf einen zur Auswertung des in der zu messenden Lichtleitfaser reflektierten oder rückgestreuten Lichts vorgesehenen Lichtempfänger abgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenteiler (4, Fig.1) als eine unter einem bestimmten Winkel ((Q) schräg angeschliffene Stirnfläche (23) einer Lichtleitfaser (20) realisiert ist (Fig.2) 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Stirnfläche (23) und dem Lichtempfänger (11) eine Empfangs-Fokussiereinrichtung (10) angeordnet ist, die den Kern der Stirnfläche (23) formatfüllend auf die lichtempfindliche Fläche des Lichtempfängers 11 abbildet (Fig.1).

   3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch.gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser (20) mit der schräg angeschliffenen Stirnfläche (23) die Vorlauf-Lichtleitfaser (5) selbst ist.

   4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser (20) mit der schräg angeschliffenen Stirnfläche (23) an ihrem anderen Ende mittels einer Faser koppelvorrichtung (13) an die Vorlauf-Lichtleitfaser (5) ankoppelbar ist.

   5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4 zur Messung von Eigenschaften von Lichtleitfasern in Transmission, dadurch gekennzeichnet, daß die schräg angeschliffene Stirnfläche (23) der Lichtleitfaser (20) zur reflexarmen Einkopplung des vom Lichtsender (2) kommenden Lichts in die zu messende Lichtleitfaser (7) dient und am anderen Ende der zu messenden Lichtleitfaser (7) ein weiterer Lichtempfänger (12) vorgesehen ist, der das hindurchgegangene Licht empfängt.

   6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende der Lichtleitfaser (20), dessen Stirnfläche (23) schräg angeschliffen ist, mit einem optisch transparenten Kleber (21) auf eine optisch transparente Platte (22) aufgeklebt und seine Stirnfläche (23) gemeinsam mit der Platte (22) unter dem bestimmten Winkel schräg angeschliffen ist (Fig.2).

   7. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der am Strahlenteiler (4) reflektierte Anteil des vom Lichtsender (2) stammenden Lichts auf einen Referenz-Lichtempfänger (9) fokussiert wird, dessen Ausgangssignal als Maß für die eingekoppelte Lichtleistung bei der Auswertung des Meßsignals verwendbar ist.

   8. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Vorlauf-Lichtleitfaser (5) derart gewählt ist, daß an ihrem Ende möglichst ein Modengleichgewicht besteht.