AT116U1

AT116U1 - Messnormal fuer optische daempfungsmessungen

Info

Publication number: AT116U1
Application number: AT2694U
Authority: AT
Original assignee: Felten & Guilleaume Energie
Priority date: 1993-04-22
Filing date: 1994-04-20
Publication date: 1995-02-27
Also published as: DE4313138A1; DE4313138C2; NL9400638A

Description

AT 000 116 Ul

Die Erfindung betrifft ein Meßnormal für optische Dämpfmessungen, bestehend aus einem optischen Kabel mit mindestens einer künstlich gealterten Lichtleitfaser von bekannter Dämpfung und bekannter Länge in einem mit zähem Medium gefüllten Kabelmantel, der aus einem Material besteht, der die Lichtleitfaser langzeitlich gegen äußere Einflüsse schützt.

Zur Messung optischer Dämpfungen werden in der Regel Rückstreu-reflektometer (englisch OTDR: Optical Time Domain Reflectometer) eingesetzt. Mit ihnen können Dämpfungskoeffizienten, Spleiß- und Steckerverlüste bestimmt, sowie Störungen (Faserbrüche) in optischen Kabeln lokalisiert werden. Bei dem Meßvorgang wird ein kurzer, intensiver Lichtimpuls in einen Lichtwellenleiter eingestrahlt und aus dem zeitlichen Verlauf der zurückgestreuten bzw. der an Störungen reflektierten Lichtleistung der Dämpfungskoeffizient, sowie der Ort und die Höhe der Verluste bestimmt.

Zur Kalibrierung eines Rückstreureflektometers werden überwiegend Einmoden-Lichtwellenleiter (Kalibrierkabelj eingesetzt. Die optischen Fasern werden über Temperaturwechselzyklen gealtert, um eine möglichst hohe Langzeitstabilität zu erreichen,denn ein Meßnormal muß wegen der erforderlichen Genauigkeit und Langzeitkonstanz eine Reihe von Voraussetzungen erfüllen. Optische Kalibriernormale sind aus der DE-Al-3910503 bekannt. 2 AT 000 116 Ul

Der Dämpfungskoeffizient des Kalibrierkabels wird über einen vorgegebenen Wellenlängenbereich mit dem international als Referenzmethode anerkannten Rückschneideverfahren (engl.: cut back technique) so genau wie möglich gemessen. Das Rückschneideverfahren liefert einen integralen Dämpfungskoeffizienten über die gesamte Länge der Faser. Zur Messung muß weiterhin die Länge des Lichtwellenleiters bekannt sein. Diese wird entweder aus Laufzeitmessungen kurzer Lichtpulse mit Hilfe der effektiven Brechzahl der Faser berechnet oder über geeichte mechanische Meßvorrichtungen bestimmt. Die Längenmessung sollte mit einer Genauigkeit von 0,1 Prozent oder besser noch von 0,03 Prozent erfolgen.

Die Dämpfungskoeffizienten für optische Kabel werden von einzelnen Telekommunikationsunternehmen bis auf 0,01 dB/km genau spezifiziert. Deshalb sollten die Werte für ein Meßnormal auf mindestens 0,003 dB/km, möglichst aber auf 0,001 dB/km Genauigkeit bekannt sein.

Zum Schutz gegen mechanische Beschädigungen und Umwelteinflüsse, aber auch gegen Erschütterungen und Temperaturwechselbeanspruchungen beim Transport wurde bisher für Kalibrierzwecke eine primärbeschichtete geeichte Faser in ein gelgefülltes Kunststoffröhrchen eingezogen. Es ist auch bekannt, eine mit Glasfaserarmierung verkabelte Faser einzusetzen, die im Durchmesser etwa üblichen Innenkabeln entspricht. 3 AT 000 116 Ul

Bei der Verkabelung mit Glasfaserarmierung ergibt sich das Problem, daß für noch einfach zu handhabende Gewichte des aufgetrommelten Kabels nur Längen von unter 3 km eingesetzt werden können. Diese Länge reicht in der Regel nicht aus, um den Dämpfungskoeffizienten mit einer Genauigkeit von ό,οοί dB/km zu messen. Die dazu erforderliche Länge beträgt etwa 6 km.

Die Einbettung der optischen Faser in ein gelgefülltes Kunststoffröhrchen bietet keinen ausreichenden mechanischen Schutz für ein Meßnormal. Auch die Eindiffusion bestimmter Ionen oder Gasmoleküle durch das Kunststoffröhrchen in die Faser, wodurch beträchtliche Veränderungen der Dämpfungswerte hervorgerufen werden können, läßt sich nicht ausschließen.

Wasserstoff diffundiert leicht in Quarzglasfasern, selbst wenn er nur in geringen Konzentrationen in der Umgebungsatmosphäre vorhanden ist. Auch das Eindringen von Wasserdampf oder OH”-Io-nen kann über den Effekt der Spannungskorrosion bei Mikrokerben im Fasermantel langfristig zu Dämpfungserhöhuhgen führen. Wahrscheinlich wirken auch Alkali- oder andere Ionen langfristig auf die Dämpfung.

Beide Verfahren, also sowohl die bisher verwendete Verkabelung als aüch das Einziehen in ein gelgefülltes Kunststoffröhrchen, bieten keinen ausreichenden Schutz gegen Umwelteinflüsse. 4 AT 000 116 Ul

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Meßnormal für optische Dämpfungsmessungen anzugeben, das die eingangs aufgestellten Forderungen in Bezug auf Genauigkeit und Längenkonstanz des Dämpfungskoeffizienten und auf Langzeitstabilität erfüllt.

Die Aufgabe wird von dem optischen Kabel mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen werden in den ünteransprüchen angegeben.

Erst mit der Erfindung wird ein Meßnormal geschaffen, mit dem die langzeitliche Konstanz des Dämpfungskoeffizienten innerhalb enger Toleranzen für jeden Teilabschnitt der Faser sichergestellt ist. Ein gezielt eingebrachter Spleiß vergrößert den Einsatzbereich des Kalibriernormals.

Bei der Herstellung von Standard-Einmodenfasern mit Germaniumoxyd-dotiertem Kern ergibt sich durch produktionstechnisch bedingte Variationen bei der Vorformherstellung und beim Faserzie-hen eine Schwankung im Dämpfungskoeffizienten bei 1550 nm zwischen 0,185 dB/km und über 0,2 dB/km. Aus den Beständen des Faserherstellers wird eine möglichst lange Faser vorzugsweise aus dem vorgenannten Material ausgewählt, deren Dämpfungskoeffizient möglichst niedrig liegt, vorzugsweise höchstens um 0,002 dB/km über d'em produktionstechnisch gegebenen Minimum. Eine Länge von etwa 50 km ist vorteilhaft. Eine solche Faser ist zwangsläufig weitgehend homogen. Der Dämpfungskoeffizient dieser Faser wird in einem vorgegebenen Spektralbereich (beispielsweise 1260 bis 5 AT 000 116 Ul 1650 rna) mit einer Genauigkeit von 0,001 dB/km ausgemessen und die Faser in gleichlange Teilabschnitte vorzugsweise von zunächst 25 km, dann 12,5 km und schließlich 6,25 km zerteilt, die alle mit derselben Genauigkeit vermessen werden. Man erhält so acht Teilstücke von je 6,25 km Länge und kann deren Dämpfungskoeffizienten mit der doppelten, vierfachen und achtfachen Länge sowie untereinander vergleichen. Die Dämpfung der Gesamtlänge liegt dicht an der unteren technisch möglichen Grenze. Damit ist sichergestellt, daß die Unterschiede zwischen den Teilfasern minimal sind.

Aus den 8 Teilabschnitten werden die 6 Längen mit den niedrig-? sten Dämpfungen ausgewählt, weil diese die beste Homogenität gewährleisten. Die Unterschiede in den Dämpfungskoeffizienten dieser Teilabschnitte sollten vorzugsweise zwischen 1260 nm und 1350 nm sowie zwischen 1450 nm und 1620 nm nicht über 0,001 dB/km liegen.

Die 6 Teillängen werden in ein mit einem zähen Medium gefülltes Röhrchen aus rostfreiem Stahl eingezogen, das im Laserschweißverfahren nahtlos geschweißt ist. Als Füllung kann Petrolat, thixotropes Gel oder auch Pulver vorgesehen werden.

In ein solches Stahlröhrchen mit 2 mm Außendurchmesser und einer Wandstärke von 0,2 mm können 6 primärbeschichtete standard-Ein-modenfasern mit 0,25 mm Außendurchmesser eingezogen werden. Bei einer Länge von etwa 6 km, die für die Meßgenauigkeit von 0,001 6 AT 000 116 Ul dB/km ausreichend ist, wiegt dieses Minikabel etwa 70 kg. D.h. einschließlich der Spule und eines Transportbehälters ist ein Gesamtgewicht von unter 100 kg realisierbar. Das Meßnormal ist vom Gewicht her im Labor und beim Transport gut zu handhaben.

Der Edelstahlmantel hat den Vorteil, daß er trotz seines geringen Durchmessers· ausreichenden mechanischen Schutz für das Meßnormal sicherstellt und bei gleichem Gewicht wesentlich größere Kabellängen ermöglicht. Ein weiterer entscheidender Vorteil, der sowohl gegenüber der herkömmlichen Verkabelung als auch der Verwendung von gelgefüllten Kunststoffröhrchen besteht/ liegt in der Tatsache, daß der Stahlmantel eine vollständige Diffusionssperre gegen Wasserstoff., Wasserdampf und andere Ionen, Atome oder Moleküle darstellt. Man kann folglich davon ausgehen, daß die Dämpfungswerte der Kalibrierfasern im Stahlröhr.chen langfristig stabil bleiben.

Nach dem Einziehen in den Stahlmantel werden die Dämpfungskoeffizienten der Einzeladern noch einmal überprüft. Wenn die Fasern mit der für diese Anwendung angemessenen, richtigen Über länge eingezogen werden, sollten untereinander identische Werte wie zuvor ermittelt werden. Dabei müssen die Fasern vorher auf geeigneten Meßspulen ohne Krümmungs- und Mikrokrümmungsverluste gemessen worden sein. Das Stahlmantelkabel wird anschließend einem zyklischen Temperaturwechselprogramm (500 Wechsel zwischen -40 °C und +75 °C für je 1 Stunde) unterworfen. Die darauf folgende Kontrollmessung sollte unveränderte Dämpfungswerte erge- 7 AT 000 116 Ul ben. Da für die Messungen an den verkabelten Fasern eine Vergleichslänge von jeweils zwei bis drei Metern abgeschnitten werden muß, sollte ein Spezialwerkzeug zum gratfreien Abtrennen des Stahlröhrchens verwendet werden.

Nach diesen Verfahrensschritten wird ein erster mit einem zweiten Faserabschnitt verspleißt. Die Spleißdämpfung, die einen typischen Wert von 0,1 dB hat, wird nach dem Rückschneideverfahren über die Differenz der Dämpfung des verspleißten Abschnitts und der Summe der Werte für die Einzellängen auf 0,003 dB genau und wellenlängenabhängig bestimmt. Bei Bedarf können noch weitere Abschnitte verspleißt und die Dämpfung wie beim ersten Spleiß ermittelt werden. Der Spleiß wird also gezielt eingebracht und seine Dämpfung wird wellenlängen-abhängig ermittelt. Seine Dämpfung soll auch nicht vernachlässigbar sein. Das Meßnormal zeichnet sich durch die Kenntnis aller wellenlängenabhängigen Dämpfungswerte an jedem Ort der Faser und am Ort des Spleißes aus.

Die ungeschützten Faserabschnitte im Spleißbereich werden durch einen Stahlröhrchenmantel, mit etwas größerem Innendurchmesser geschützt, der über den Stahlmantel des ersten und zweiten Faserabschnitts geschoben und diffusionsdicht damit verbunden wird. 1 Die Krümmung im Spleißbereich wird so groß gewählt, daß keine meßbaren Krümmungsverluste auf treten. Das ist etwa oberhalb von 60 mm Krümmungsdurchmesser gewährleistet. 8 AT 000 116 Ul

Bei Verwendung mehrerer Faser-Teilnormale muß der Übergang aus dem Schutzmantel, der alle Lichtleitfasern umgibt, zu den Steckerbuchsen der einzelnen Lichtleitfasern ebenfalls gegen äußere Einflüsse geschützt werden. Hierzu wird ein Stahlröhrchenmantel mit etwas größerem Innendurchmesser eingesetzt, aus dem entsprechend der Zahl der Lichtleitfasern, wie Finger aus einem Handschuh, dünnere Stahlröhrchen austreten. Das dickere Röhrchen wird diffusionsdicht mit dem Edelstahlmantel und die dünneren Stahlröhrchen, wie schon beschrieben, diffusionsdicht mit den Steckerbuchsen verbunden. Die Spleiße und/oder Steckerbuchsen werden vorzugsweise in einem diffusionsdicht ausgeführten Spleißgehäuse dauerhaft befestigt. Es können noch Maßnahmen ergriffen werden, um im Spleißgehäuse die Luftfeuchtigkeit gering zu halten, beispielsweise mit Silicagel als Trockenmittel.

Nach Herstellung der Spleißverbindung und der Schutzummantelung wird das Kabel wieder einem Temperaturwechselprogamm unterzogen. und die Dämpfung danach erneut überprüft, um sicherzustellen, daß auch für die Spleißdämpfung eine ausreichende Langzeitstabilität zu erwarten ist. Anschließend werden die Ein- und Ausgänge des 12,5 km langen Abschnitts und der 4 Teilabschnitte von 6,25 km Länge mit optischen Steckerbuchsen abgeschlossen, deren Gehäuse diffusionsdicht mit dem Stahlmantel verbunden werden. Vorzugsweise werden Steckverbindungen mit hoher Rückreflexionsdämpfung eingesetzt, also beispielsweise Stecker mit schräg angeschliffenen, konvexen Endflächen mit physikalischem Kontakt 9 AT 000 116 Ul beim Stecken (engl.: physical contact plug, PC plug). Vorzugsweise werden die Steckerbuchsen in ein Behältnis eingebaut und dieses an einem Seitenflansch der Kabeltrommel befestigt.

Das Meßnormal bietet für die Eichung eines OTDR folgende Einsatzfälle: 1. Eichung des Dämpfungskoeffizienten an 4 Einzelfasern. Durch Quervergleich läßt sich die Sicherheit der Kalibrierung erhöhen und Einflüsse durch defekte Steckerendflächen erkennen bzw. ausschalten. Auch langfristige Änderungen sind erkennbar, sofern sie nicht für alle 4 Abschnitte die gleichen Auswirkungen haben. 2. An dem verspleißten 12,5 km-Abschnitt lassen sich sowohl die örtliche Lage als auch der Meßwert für den Spleißverlust prüfen und zusätzlich der Dämpfungskoeffizient über eine Länge von 12,5 km kalibrieren. 3. Durch Hintereinanderschalten aller Faser-Teilnormale über kurze Verbindungskabel mit optischen Steckern steht eine Meßstrecke von insgesamt 37,5 km zur Verfügung mit einem.Spleiß, der entweder an den Anfang oder an das Ende der Meßstrecke gesetzt werden kann, und mit 4 Steckverbindungen mit bekannter Position. 10 AT 000 116 Ul

Bei Bedarf lassen sich andere Kombinationen aufbauen wie beispielsweise 2 mal 2 verspleißte Einzellängen und 2 Abschnitte zu je 6,25 km.

Die Erfindung wird in den Figuren näher beschrieben. Es zeigen im Einzelnen

Fig. 1 schematisch ein auf getrommeltes Meßnormal;

Fig. 2 eine Ausführung eines Steckerbuchsengehäuses;

Fig. 3 die Einzelheit am Schutzmantelende und

Fig. 4 zwei Beispiele einer Verschaltung der Faser-Teilnormale.

In Fig. 1 ist ein auf getrommeltes optisches Kabel 2 dargestellt. Das Kabel 2 (siehe Fig. 3) enthält mehrere Lichtleitfasern 4, die mit einer zähen Flüssigkeit im Kabelmantel 6 aus Edelstahl festgelegt sind. Ein Ende des optischen Kabels 2 ist auf einer Seite der Kabeltrommel 20 (Flansch 22) nach außen und in ein Spleißgehäuse 18 geführt. Die Enden der Lichtleitfasern des anderen Endes des Kabels 2 werden vorzugsweise fertig konfektioniert auf optische Stecker gelegt. Die Stecker werden in einem zweiten Gehäuse an einem der Flansche 22 der Kabeltrommel 20 abgelegt, von wo sie mit der Meßeinrichtung in Kontakt gebracht werden. Da es noch keine Einheitlichkeit bei optischen Steckern gibt, empfiehlt es sich, die von außen zugänglichen Faserenden mit überlange frei liegen zu lassen- Die freien Faserenden können dann bei Bedarf an jeweils passende Stecker geschweißt oder in die benutzten Geräte eingeführt werden. 11 AT 000 116 Ul

Das Spleißgehäuse 18 ist in Pig. 2 geöffnet dargestellt. Beispielsweise kann ein für optische Kabel übliches Spleißgehäuse verwendet werden, welches dauerhaft (diffusionsdicht) gegen äußere Einflüsse abschließbar ist. Die aus dem Ende des Schutzmantels 6 austretenden Lichtleitfasern 4 werden im Spleißgehäuse 18 tun Abstützungselemente 19 gelegt, wobei der kritische Krümmungsradius nicht unterschritten wird. Die Lichtleitfaserenden 9 sind in optischen Steckerbuchsen 14 befestigt, die ihrerseits wiedertim im Spleißgehäuse 18 erschütterungssicher gelagert sind.

In Pig. 3 ist der Schutzmantel 6 des Kabels 2 zur Vermeidung scharfer Kanten zur Auslaßseite aufgebördelt. Die Lichtleitfasern 4 werden im Bereich des Mantelauslasses mit einer kurzen, aufschiebbaren Schutzhülle 5 aus Kunststofff (beispielsweise Teflon) gegen Verletzungen geschützt.

In Fig. 4 sind zwei verschiedene Schaltungen der Faser-Teilstränge 8 dargestellt. Es sind verschiedene Meß-Teilnormale realisierbar. In beiden Beispielen werden sechs optische Lichtleitfaser-Teilstränge 8 von nicht unbedingt gleicher Länge verwendet. In Fig. 4a sind zwei Teilstränge 8 durch einen dauerhaften Spleiß 10 verbunden. Die Faserenden 9 enden jeweils in einer optischen Steckerbuchse 14. Die Faserenden 9 können mit optischen 'Steckern 14 abgeschlossen werden oder zum Spleißen frei bleiben. Die Stecker 14 können wahlweise miteinander oder mit der Meßeinrichtung in Kontakt gebracht werden. In Pig. 4b ist ein aus sechs Teilsträngen 8 mit maximaler Länge herstellbares 12 AT 000 116 Ul

Meßnormal dargestellt. Faser-Teilstränge 8 werden hierbei über nicht dauerhafte Spleißverbindungen 10a (beispielsweise Stecker) und mit mindestens einem dauerhaften Spleiß 10 in Reihe geschaltet. 13

I

Claims

AT 000 116 Ul ANSPRÜCHE 1. Meßnormal für optische Dämpfungsmessungen, bestehend aus einem optischen Kabel mit mindestens einer künstlich gealterten Lichtleitfaser von bekannter Dämpfung und bekannter Länge in einem mit zähem Medium gefüllten Kabelmantel, der aus einem Material besteht, der die Lichtleitfaser langzeitlich gegen äußere Einflüsse schützt, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser (4) aus mindestens zwei miteinander verspleißten Teilsträngen (8) besteht und die Spleißdämpfung weilenlängen-abhängig bekannt ist.
2. Meßnormal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilstrang-Enden (9) diffusionsdicht untergebracht sind und daß die Unterbringung diffusionsdicht mit dem Kabelmantel (6) verbunden ist.
3. Meßnormal nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Lichtleitfaser abschließenden steckerbuchsen (14) mit dem Kabelmantel (6) verbunden sind.
4. Meßnormal nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere steckerbuchsen (14) in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind. 14 AT 000 116 Ul
5. Meßnormal nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steckerbuchsengehäuse an einer das Meßnormal (2) auf nehmende Kabeltrommel (20) befestigt ist.
6. Meßnormal nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kabeltrommel (20) in einem Behälter untergebracht ist.· 15