CH618794A5

CH618794A5 - Method for testing optical fibres and device for carrying out the method.

Info

Publication number: CH618794A5
Application number: CH865277A
Authority: CH
Inventors: Richard Edward Epworth; Colin Andrew White; Ian Stewart Few
Original assignee: Int Standard Electric Corp
Priority date: 1976-07-13
Filing date: 1977-07-13
Publication date: 1980-08-15
Also published as: GB1538316A; AU506152B2; AU2694977A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung von Lichtleitfasern, welches insbesondere zur Feststellung der Lage von Bruchstellen geeignet ist. Es wird auch eine Vorrichtung zur Ausführung des Prüfverfahrens angegeben. The present invention relates to a method for testing optical fibers, which is particularly suitable for determining the position of break points. A device for carrying out the test method is also specified.

Verfahren zum Feststellen von Bruchstellen sind bereits bekannt. So zum Beispiel befassen sich J. Guttmann und O. Krumpholz in einem Beitrag (Electronics letters, Bd. 11, Nr. 10 vom 15. Mai 1975, Seiten 216-7) mit einem Echoverfahren, bei welchem ein Lichtimpuls einem Ende der zu prüfenden Faser zugeführt und das Rücksignal dann auf Spitzen untersucht wird. Der Hauptnachteil dieses Verfahrens liegt in der Beschränktheit des Dynamikbereichs. Methods for determining break points are already known. For example, J. Guttmann and O. Krumpholz in an article (Electronics letters, Vol. 11, No. 10 of May 15, 1975, pages 216-7) deal with an echo method in which a light pulse is one end of the test Fiber is fed and the return signal is then examined for peaks. The main disadvantage of this method lies in the limitation of the dynamic range.

Zweck der vorliegenden Erfindung ist es folglich, ein Verfahren anzugeben, dessen Total-Dynamikbereich ungefähr 80 dB umfassen würde (das heisst 20-30 dB Dämpfungsverluste in der Faser, in den Verbindungsstücken usw., und 50-60 dB durch Lichtreflexion von der/den Bruchstelle/-stellen verursachte Verluste). The purpose of the present invention is therefore to provide a method whose total dynamic range would comprise approximately 80 dB (i.e. 20-30 dB attenuation losses in the fiber, in the connectors, etc., and 50-60 dB due to light reflection from the / the Breakage (s) caused losses).

Wie diese Bereichserweiterung gegenüber dem Stand der Technik erreicht wird bzw. wie die Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens ausgebildet ist, kann den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche 1 bzw. 6 entnommen werden. How this extension of the range compared to the prior art is achieved or how the device is designed to carry out the method can be found in the characterizing parts of patent claims 1 and 6.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungs-gemässen Prüfvorrichtung sowie auch des Prüfvorganges anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. An exemplary embodiment of the testing device according to the invention and also of the testing process is explained in more detail below with reference to the accompanying drawing.

Wird ein Lichtimpuls in ein Ende einer Lichtleitfaser eingestrahlt, so läuft ein Teil des Lichts durch die Faser, wird am entgegengesetzten Faserende reflektiert und läuft in der Faser wieder zurück. Am Eingangsende der Faser tritt also ein erster, durch die Reflexion an der Eingangsfläche entstandener Echoimpuls und später ein zweiter Echoimpuls auf, der auf die Reflexion vom entfernten Faserende zurückzuführen ist. Die Verzögerung des zweiten Echoimpulses in bezug auf den ersten entspricht der doppelten Laufzeit des Lichts, welches sich entlang der Faserlänge ausbreitet. Befindet sich jedoch eine Bruchstelle in der Faser, verursacht diese einen eigenen Echoimpuls, der in bezug auf den ersten Echoimpuls um ein Zeitintervall verzögert sein wird, welches der doppelten Laufzeit des sich von der Eingangsfläche bis zur Bruchstelle ausbreitenden Lichts enspricht. Unter der Voraussetzung, dass die Geschwindigkeit der Lichtausbreitung entlang der Faser bekannt ist, kann folglich das Vorhandensein und die Lage der Bruchstelle in der geprüften Faser bestimmt werden, indem ein Lichtimpuls in ein Ende der Faser eingestrahlt wird und die reflektierten Lichtwellen vom andern Faserende geprüft werden. Anstatt die ganze reflektierte Wellenform auf einmal zu prüfen, wird eine Methode verwendet, bei welcher die aufeinander folgenden Teile der Welle nacheinander geprüft werden. If a light pulse is radiated into one end of an optical fiber, part of the light passes through the fiber, is reflected at the opposite end of the fiber and runs back in the fiber. At the input end of the fiber, therefore, a first echo pulse arises as a result of the reflection at the input surface and later a second echo pulse which is due to the reflection from the distant fiber end. The delay of the second echo pulse with respect to the first corresponds to twice the transit time of the light, which propagates along the fiber length. However, if there is a break in the fiber, this causes its own echo pulse, which will be delayed in relation to the first echo pulse by a time interval which corresponds to twice the transit time of the light propagating from the input surface to the break point. Provided that the speed of light propagation along the fiber is known, the presence and location of the break in the fiber being tested can therefore be determined by irradiating a pulse of light into one end of the fiber and testing the reflected light waves from the other fiber end . Instead of checking the entire reflected waveform at once, a method is used in which the successive parts of the wave are checked one after the other.

In einer ersten Annäherung sei vorausgesetzt, dass die Lichtausbreitungsgeschwindigkeit in der Faser jener der Ausbreitung des Lichts im Vakuum dividiert durch den Brechungsindex des Faserkerns entspricht. Bei einem Brechungsindex des Faserkerns von 1,5 wird sich das Licht entlang der Faser mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 20 cm/nsec ausbreiten. Es kann folglich eine Auftastimpulsbreite von ungefähr 20 nsec verwendet werden, um die Lage von Brüchen innerhalb von einigen Metern festzustellen. In a first approximation it is assumed that the speed of light propagation in the fiber corresponds to that of the light propagation in a vacuum divided by the refractive index of the fiber core. With a fiber core refractive index of 1.5, the light will propagate along the fiber at a rate of approximately 20 cm / nsec. A strobe width of approximately 20 nsec can therefore be used to determine the location of breaks within a few meters.

Um das Signal-/Störpegelverhältnis zu verbessern, basieren die Messungen nicht auf einzelnen Impulsen, sondern auf einem Durchschnitt aus einer Impulsfolge. Die Impulsfolgefrequenz beschränkt die Länge der zu prüfenden Faser. Bei einer Folgefrequenz von zum Beispiel 25 kHz werden die Messungen mehrdeutig, wenn die Faserlänge 4 km erreicht. Der Grund hierfür ist darin zu erblicken, dass der Lichtimpuls bei dieser Faserlänge eine Zeit von ungefähr 40 nsec benötigt, um bis ans entfernte Faserende und zurückzulaufen, welche Zeit dem Intervall zwischen nacheinanderfolgenden Impulsen enspricht. In order to improve the signal / interference level ratio, the measurements are not based on individual pulses, but on an average of a pulse sequence. The pulse repetition frequency limits the length of the fiber to be tested. With a repetition frequency of 25 kHz, for example, the measurements become ambiguous when the fiber length reaches 4 km. The reason for this is that the light pulse at this fiber length requires a time of approximately 40 nsec to travel to the far fiber end and back, which time corresponds to the interval between successive pulses.

In der beiliegenden Zeichnung ist 1 ein Zweikanal-Impuls-generator, welcher zwei separate Ausgänge aufweist. Der erste Ausgang ist mit einem Triggereingang eines Impuls-Speisungs-teils 2 verbunden, der einen Hochleistungs-Injektionslaser 3 speist. Der zweite Impulsgenerator-Ausgang ist an den Triggereingang eines UND-Tores 4 angeschlossen. Die an den ersten Ausgang gelieferten Impulse werden aus einem internen Oszillator durch Frequenzteilung gewonnen. Jeder dieser Impulse stellt einen ersten internen Zähler ein, der durch den Oszillator weitergeschaltet wird, und der die Abgabe eines Impulses an den zweiten Generatorausgang auslöst, wenn der Zählstand dieses ersten, internen Zählers den Wert des Zählstandes eines zweiten internen Zählers erreicht. So werden die an den zweiten Generatorausgang gelieferten Impulse um eine bestimmte In the accompanying drawing 1 is a two-channel pulse generator, which has two separate outputs. The first output is connected to a trigger input of a pulse supply part 2, which feeds a high-power injection laser 3. The second pulse generator output is connected to the trigger input of an AND gate 4. The pulses delivered to the first output are obtained from an internal oscillator by frequency division. Each of these pulses sets a first internal counter, which is incremented by the oscillator, and which triggers the delivery of a pulse to the second generator output when the count of this first, internal counter reaches the value of the count of a second internal counter. In this way, the pulses delivered to the second generator output are reduced by a certain one

2 2nd

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 3rd

Spanne verzögert in bezug auf die an den ersten Generatorausgang angelegten Impulse. Die Verzögerung kann in Stufen von gleichen Zeitintervallen geändert werden, indem der Zählstand des zweiten internen Zählers erhöht oder herabgesetzt wird. Span delayed with respect to the pulses applied to the first generator output. The delay can be changed in steps of equal time intervals by increasing or decreasing the count of the second internal counter.

Dies kann manuell erfolgen oder durch Impulse gesteuert wer- 5 den, welche durch Frequenzteilung der ersten Ausgangsimpulse entstanden sind. This can be done manually or can be controlled by pulses that have arisen from frequency division of the first output pulses.

Die Lichtsignale des Lasers 3 werden durch ein erstes Linsensystem 5 über einen Strahlenteiler 6 auf das Ende einer Lichtleitfaser 7 fokussiert, die in einer Klemmvorrichtung 8 io festgehalten wird. Das aus dem Eingangsende der Faser austretende Licht wird über den Strahlenteiler 6 einem weitern Linsensystem 9 und weiter einer Avalanche-Photodiode 10 zugeführt. Das Ausgangssignal aus der Photodiode wird in einen Wechselstromverstärker 11 gespeist und von dort über das 15 UND-Tor 4 einem Integrator 12 zugeführt. Das Ausgangssignal des Integrators speist dann eine Anzeigevorrichtung 13. Soll die Prüfausrüstung als Wobbeianordnung arbeiten, wird als Anzeigevorrichtung ein Blattschreiber oder ein Messgerät mit digitaler Anzeige verwendet. In diesem Falle wird die Zeitbasis 20 der Anzeigevorrichtung aus einem über eine Leitung 14 übertragenen Signal vom Wobbelgeneratorteil des Impulsgenerators 1 gewonnen; zum Integrator 12 führt dann eine Rückstelleitung 15, über welche Impulse zwischen jedem Schritt des Durchlaufs vom Wobbeigenerator geliefert werden. 25 The light signals from the laser 3 are focused by a first lens system 5 via a beam splitter 6 onto the end of an optical fiber 7, which is held in a clamping device 8. The light emerging from the input end of the fiber is fed via the beam splitter 6 to a further lens system 9 and further to an avalanche photodiode 10. The output signal from the photodiode is fed into an AC amplifier 11 and from there fed to an integrator 12 via the 15 AND gate 4. The output signal of the integrator then feeds a display device 13. If the test equipment is to operate as a wobble arrangement, a paperless recorder or a measuring device with a digital display is used as the display device. In this case, the time base 20 of the display device is obtained from a signal transmitted via line 14 from the wobble generator part of the pulse generator 1; A return line 15 then leads to the integrator 12, via which pulses are supplied by the web generator between each step of the run. 25th

Wenn das Eingangsende der Faser senkrecht zur Faser-Längsachse liegt und wenn die Laser-Faser-Achse mit der Faser-Detektorachse ausgerichtet ist, dann wird die Front des durch den Photodetektor empfangenen Wellenzuges jene sein, die durch das direkt reflektierte Licht am Eingangsende der 30 Faser entstand. Wenn der Photodetektor eine sehr hohe Verstärkung aufweist, um auch sehr schwache Echos von Faserbrüchen zu erfassen, kann die Ansprechschwelle des Photodetektors durch diese Wellenfront so gesättigt sein, dass eine Erholung zur Ankunftszeit des Abtastimpulses noch nicht stattfin- 35 den konnte. Es gibt zwei Möglichkeiten, dieses Problem zu meistern: Entweder trifft der direkt reflektierte Strahl den Photodetektor nicht oder aber wird dieser elektronisch abgeschaltet, wordurch eine «tote Zeit» entsteht, die sich über jene Periode erstreckt, in welcher das direkt reflektierte Licht den Photode- 40 tektor erreicht. Es können zwei Wege eingeschlagen werden, um das Erreichen des Photodetektors durch das direkt reflektierte Licht zu verhindern: Entweder wird zwischen dem Faserende und einem vor diesem Faserende angebrachten Prisma ein indexangepasstes Medium vorgesehen, um die Reflexion 45 aus dem Faserende zu unterdrücken, oder aber es wird ein Zirkularpolarisator verwendet. Der Laserlichtstrahl muss auf die erste Prismaoberfläche schräg einfallen, damit er aus der zweiten Prismaoberfläche in die Faser in Richtung ihrer Längsachse eintreten kann; das von der ersten Prismaoberfläche 50 reflektierte Licht ist folglich in bezug auf das innerhalb der Faser reflektierte geneigt. Polarisierende Filter können verwendet werden, um unerwünschte Reflexionen zu unterdrük-ken, indem linear oder zirkulär polarisiertes Licht in die Faser If the input end of the fiber is perpendicular to the longitudinal fiber axis and if the laser fiber axis is aligned with the fiber detector axis, then the front of the wave train received by the photodetector will be that which is reflected by the directly reflected light at the input end of FIG. 30 Fiber emerged. If the photodetector has a very high gain in order to detect even very weak echoes from fiber breaks, the response threshold of the photodetector can be so saturated by this wavefront that a recovery at the time of arrival of the scanning pulse could not yet take place. There are two ways to master this problem: Either the directly reflected beam does not hit the photodetector or it is switched off electronically, creating a "dead time" that extends over the period in which the directly reflected light strikes the photodetector. 40 tectors reached. There are two ways to prevent the directly reflected light from reaching the photodetector: Either an index-matched medium is provided between the fiber end and a prism attached in front of this fiber end to suppress the reflection 45 from the fiber end, or it a circular polarizer is used. The laser light beam must strike the first prism surface at an angle so that it can enter the fiber from the second prism surface in the direction of its longitudinal axis; the light reflected from the first prism surface 50 is thus inclined with respect to that reflected within the fiber. Polarizing filters can be used to suppress unwanted reflections by adding linearly or circularly polarized light into the fiber

618 794 618 794

eingestrahlt wird. Im ersten Fall wird ein linearer Polarisations-analysator in den optischen Weg zwischen der Faser und dem Photodetektor geschaltet, wobei die Polarisatorebene des Analysators in bezug auf die Polarisationsebene des in die Faser übertragenen Lichts senkrecht verläuft. Dies bildet ein Hindernis für das vom Eingangsende der Faser direkt reflektierte Licht, während das sich entlang der Faser ausbrteitende Licht nicht tangiert wird, da sich seine Polarisation während der Fortpflanzung in der Faser ändert. Sollten die Laserstrahlen an sich bereits eine genügend grosse lineare Polarisation aufweisen, kann vom Einfügen eines Polarisators in den optischen Pfad zwischen Laser und Faser Abstand genommen werden. Im zweiten Falle wird ein Zirkular-Polarisator vor dem Eingangsende der Faser vorgesehen, um für das von diesem Ende direkt reflektierte Licht ein Hindernis zu bilden, während, wie im vorher erwähnten Fall, das sich entlang der Faser ausbreitende Licht nicht tangiert wird. is irradiated. In the first case, a linear polarization analyzer is connected in the optical path between the fiber and the photodetector, the polarizer plane of the analyzer being perpendicular to the polarization plane of the light transmitted into the fiber. This constitutes an obstacle to the light reflected directly from the input end of the fiber, while the light traveling along the fiber is not affected since its polarization changes during propagation in the fiber. If the laser beams themselves already have a sufficiently large linear polarization, it is possible to refrain from inserting a polarizer into the optical path between the laser and the fiber. In the second case, a circular polarizer is provided in front of the input end of the fiber to create an obstacle to the light directly reflected from that end, while, as in the aforementioned case, the light propagating along the fiber is not affected.

Der Laser strahlt im Infrarot-Bereich des Spektrums; es ist folglich erwünscht, einen Sicherheitsmechanismus einzubauen, welcher die Gefahr der Augenbeschädigung des Bedienungspersonals reduziert. Es kann sich hierbei zum Beispiel um eine Klappe oder einen Verschluss handeln, der den Austritt es Lichts verhindert, wenn sich die Faser nicht in ihrer Lage in der Ausrüstung befindet; es kann sich aber auch um eine elektronische Verriegelung handeln. Diese kann anstelle oder zusätzlich zur mechanischen Sicherung verwendet werden. Als elektronische Verriegelung kann zum Beispiel ein Detektorstromkreis dienen, der das vom Eingangsende der geprüften Faser reflektierte Licht misst. Das Ausgangssignal aus diesem Detektor wird in einen Schwellenwertdetektor gespeist, der so angeordnet ist, dass beim Absinken der Intensität des reflektierten Lichts unter einen bestimmten Schwellwert die Speisung des Lasers abgeschaltet wird; es ist vorgesehen, dass die Wiederinbetriebsetzung der Laserspeisung nur durch die Betätigung eines mechanischen Schalters möglich ist. Beim Schwellenwertdetektor kann es sich um einen Hilfsdetektor handeln, der vollkommen vom Photodetektor 10 separiert ist. Er muss auch nicht schnellansprechend sein. Als elektronischer Verriege-lungs-Sicherheitsmechanismus kann auch jener aus dem Schweizer Patent Nr. 608 613 mit einigen Abänderungen verwendet werden. The laser emits in the infrared region of the spectrum; it is therefore desirable to incorporate a safety mechanism that reduces the risk of operator eye damage. For example, this can be a flap or closure that prevents light from escaping when the fiber is not in place in the equipment; but it can also be an electronic lock. This can be used instead of or in addition to mechanical security. For example, a detector circuit that measures the light reflected from the input end of the fiber under test can serve as an electronic lock. The output signal from this detector is fed into a threshold value detector, which is arranged in such a way that when the intensity of the reflected light falls below a certain threshold value, the laser supply is switched off; It is envisaged that the laser supply can only be restarted by actuating a mechanical switch. The threshold value detector can be an auxiliary detector that is completely separated from the photodetector 10. It doesn't have to be responsive either. As an electronic locking security mechanism, that from Swiss Patent No. 608 613 can also be used with some modifications.

Die beschriebene digitale Verzögerungsanlage weist auch den Vorteil auf, dass sie keine zusätzlichen Fehler in der Bestimmung der Lage von Brüchen bei Erhöhung der Verzögerung einführt. Auch kann das Signal von Störungen besser unterschieden werden, da die Messungen auf der Integration einer grossen Anzahl von Lichtimpulsen basieren und nicht wie üblich auf der Messung eines einzigen Impulses. Die Grenze für die Anzahl der verwendeten Lichtimpulse ist einerseits durch den Gleichstromdrift im Integrator und durch eine beliebige Gleichstromverstärkung zwischen dem Integrator und dem Ausgang und andererseits durch die Notwendigkeit, die Messung innerhalb einer vernünftigen Zeitspanne zu beenden, gesetzt. The described digital delay system also has the advantage that it does not introduce any additional errors in determining the position of breaks when the delay is increased. The signal can also be better distinguished from interference, since the measurements are based on the integration of a large number of light pulses and not, as usual, on the measurement of a single pulse. The limit for the number of light pulses used is set on the one hand by the DC drift in the integrator and by any DC amplification between the integrator and the output and on the other hand by the need to end the measurement within a reasonable period of time.

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1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

618 794 PATENT CLAIMS

1. A method for testing optical fibers, in particular for determining the position of break points, characterized in that a pulse supply part (2) for supplying a laser (3) is triggered by a first pulse train from a pulse generator (1), the light pulses of which a End of the optical fiber (7) that the laser light reflected by the fiber is detected by a photodetector (10), and that the output pulses of the photodetector via an AND gate (4) controlled by a second pulse train from the pulse generator to an integrator ( 12) are supplied, the second pulse sequence being emitted with an adjustable delay compared to the first pulse sequence.

2. The method according to claim 1, characterized in that the pulses from the photodetector are amplified before they are fed to the integrator.

3. The method according to claim 1, characterized in that the pulse generator contains an oscillator which drives a counter which triggers the second pulse sequence when a certain, adjustable count is reached.

4. The method according to claim 3, characterized in that said count is automatically changed by a signal obtained by frequency division of the oscillator output signals.

5. The method according to claim 1, characterized in that a prism and / or a circular polarizer are provided to reduce the intensity of the light directly reflected on the input surface of the fiber to be tested and reaching the photodetector.

6. Apparatus for carrying out the method according to claim 1, characterized by a two-channel pulse generator (1) with an internal oscillator, by a laser (3), by a pulse supply part (2) which supplies the laser with energy, by a photodetector (10), by an AND gate (4), and by an integrator (12), the pulse generator having two outputs, and containing means for adjustable delay of the output pulses at the second output compared to those at the first output; the first output of the pulse generator is connected to the input of the supply part (2) and the second output is connected to an input of the AND gate (4), and the output of the photodetector is connected to the input of the integrator via the AND gate.

7. The device according to claim 6, characterized in that the output signals of the oscillator in the pulse generator drive a counter which triggers the second pulse sequence when a certain, adjustable count is reached.

8. The device according to claim 7, characterized in that means are provided for setting the said count.