CH636960A5

CH636960A5 - OPTICAL TIME RANGE REFLECTOMETER FOR DETERMINING THE DAMPING OF OPTICAL FIBERS.

Info

Publication number: CH636960A5
Application number: CH400179A
Authority: CH
Inventors: Rainer Dipl Ing Spieker
Original assignee: Felten & Guilleaume Carlswerk
Priority date: 1978-08-31
Filing date: 1979-04-27
Publication date: 1983-06-30
Also published as: SE444731B; IT7920298A0; IT1112188B; FR2435026A1; GB2033078A; DE2837981A1; GB2033078B; FR2435026B1; DE2837981C2; SE7907153L

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Zeitbereichs-Reflektometer zur Bestimmung der Dämpfung von Lichtleitfasern, bestehend aus einer Lichtquelle, einem Strah- 45 lenteiler, einem Detektor, einem Verstärker, einem Signalaufbereiter und einem Anzeigegerät sowie zugehörigen Steuereinheiten. The present invention relates to an optical time-domain reflectometer for determining the attenuation of optical fibers, consisting of a light source, a beam splitter, a detector, an amplifier, a signal conditioner and a display device and associated control units.

Die grossen Fortschritte bei der Herstellung von dämpfungsarmen Glasfasern und die Einrichtung der ersten Ver- 50 suchsstrecken zur Erprobung optischer Nachrichtenübertragungssysteme lassen einen starken Bedarf an Messgeräten, insbesondere zur Beurteilung von Lichtleitfasern, aufkommen. The great advances in the production of low-loss glass fibers and the establishment of the first 50 test lines for testing optical communication systems have created a strong need for measuring devices, especially for assessing optical fibers.

Es ist bereits ein Rückstreu-Messverfahren bekannt, mit dem die zerstörungsfreie Messung der Dämpfungsverteilung 55 und auch die Bestimmung der Faserlänge, die Ordnung von Brüchen und die Untersuchung von Faserverbindungen möglich ist. Dieses Verfahren nutzt die Tatsache, dass die Änderung je Längeneinheit der an Mikrostrukturen, Diskontinuitäten und Verunreinigungen zum Faseranfang zurückgestreuten Lichtlei- 60 stung als ein Mass für die lokale Dämpfung der Faser angesehen werden kann. Zur Durchführung dieses Verfahrens sind bereits verschiedene Messanordnungen und -geräte erprobt. Bei einem derartigen bekannten Gerät löst der Triggerimpuls eines Pulsgenerators mit einer Wiederholrate von 1 kHz bis 10 kHz Infra- 65 rotlichtblitze von 5 bis 100 ns Dauer aus. Diese werden in einer Faser eingekoppelt, und das rückgestreute Licht wird über einen Strahlenteiler einer Avalanche-Fotodiode zugeführt. Nach breitbandiger Verstärkung wird durch einen Boxcar-Integrator das Signal-Rausch-Verhältnis des Rückstreusignals verbessert. Bei zwischengeschaltetem Logarithmierer kann auf einem XY-Schreiber, dessen Ordinate in dB und dessen Abszisse in km geeicht wurde, eine Kurve aufgezeichnet werden, deren Steigung direkt die vierfache Faserdämpfung in dB/km angibt. Die Signalaufbereitung mittels des Boxcar-Integrators ist wegen des schlechten Signal-Rausch-Verhältnisses des Rückstrahlsignals erforderlich. Für ein kompaktes und möglichst preiswertes Messgerät ist aber die Verwendung eines Boxcar-Integrators wegen dessen hoher Herstellungskosten ungeeignet. Zudem weisen die auf dem Markt befindlichen Boxcar-Integratoren eine relativ hohe Ausgangsdrift auf, was bei kleinsten Signalpegeln von 10 mV zu einer unzulässigen Verfälschung der Messergebnisse führen würde. Anstelle eines Boxcar-Integrators ist auch bereits ein langsam abgelenktes Sampling-Oszilloskop verwendet worden. Einen derartigen Oszilloskopf haftet aber der Nachteil an, dass die zur Verfügung stehenden Sampling-Köpfe nur relativ kleine Torzeiten ermöglichen und ein Wechsel der Torzeit mit einem Kopftausch verbunden ist. A backscatter measurement method is already known, with which the non-destructive measurement of the attenuation distribution 55 and also the determination of the fiber length, the order of breaks and the examination of fiber connections is possible. This method takes advantage of the fact that the change per unit length of the light power scattered back at microstructures, discontinuities and impurities at the beginning of the fiber can be regarded as a measure of the local attenuation of the fiber. Various measuring arrangements and devices have already been tested to implement this method. In such a known device, the trigger pulse of a pulse generator with a repetition rate of 1 kHz to 10 kHz triggers infrared light flashes of 5 to 100 ns duration. These are coupled into a fiber and the backscattered light is fed to an avalanche photodiode via a beam splitter. After broadband amplification, the box-car integrator improves the signal-to-noise ratio of the backscatter signal. With an intermediate logarithmizer, a curve can be recorded on an XY recorder whose ordinate was calibrated in dB and whose abscissa was calibrated in km, the slope of which directly indicates four times the fiber attenuation in dB / km. The signal conditioning by means of the box car integrator is necessary due to the poor signal-to-noise ratio of the retroreflective signal. However, the use of a boxcar integrator is unsuitable for a compact and inexpensive measuring device because of its high manufacturing costs. In addition, the boxcar integrators on the market have a relatively high output drift, which would lead to an inadmissible falsification of the measurement results at the lowest signal levels of 10 mV. Instead of a boxcar integrator, a slowly deflected sampling oscilloscope has also been used. However, such an oscilloscope head has the disadvantage that the sampling heads available only allow relatively short gate times and that changing the gate time is associated with a head replacement.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ausgehend von den bekannten Reflektometern der eingangs beschriebenen Art, ein Gerät zu schaffen, das sich durch einen relativ einfachen und preiswerten Aufbau auszeichnet und dabei aber sehr hohe Messgenauigkeiten zulässt, so dass insbesondere eine örtliche Auflösung von 1 m bei einem Messfehler von maximal 0,2 dB/km und eine minimale Messzeit erreicht werden. Dabei sollte die benötigte Messzeit sich in nötigen Grenzen variieren lassen, um sowohl eine schnelle Fehlerortung im Felde als auch eine genaue Vermessung von Fasern im Labor zu ermöglichen. The present invention is based on the object, starting from the known reflectometers of the type described at the outset, to create a device which is distinguished by a relatively simple and inexpensive construction and at the same time permits very high measurement accuracies, so that in particular a local resolution of 1 m with a measurement error of maximum 0.2 dB / km and a minimum measurement time. The measurement time required should be able to be varied within the necessary limits in order to enable both a quick fault location in the field and an exact measurement of fibers in the laboratory.

Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass der Signalaufbereiter aus einer Sample-and-Hold-Schaltung besteht, mit der das durch einen Triggerimpuls periodisch ausgelöste Rückstreusignal abgetastet wird. Dabei wird vorteilhafterweise das Steuersignal für die Sample-and-Hold-Schaltung mit Hilfe zweier Rampengeneratoren gewonnen, wobei die Rampe des einen, deren Länge dem gewählten Zeitfenster entspricht, durch jeden Triggerimpuls und die des anderen, die der Länge der eingestellten Messzeit entspricht, durch einen Taster gestarter wird. Für jeden Schnittpunkt der Rampen wird mittels eines Komparators ein Sample-Befehl erzeugt, der sich langsam gegenüber dem Triggerimpuls verschiebt und dessen Ausgangssignal einen in der Breite einstellbaren Rechteckimpuls auslöst. Das Ausgangssignal wird mittels eines RC-Glieds gemittelt, um damit eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses zu erreichen. Als Lichtquelle wird vorzugsweise ein Lasermodul verwendet. Weiterhin ist es zweckmässig, wenn die Triggerimpulse für Lasermodul und Rampengeneratoren durch einen Pulsgenerator erzeugt werden, der eine zeitliche Verschiebung der Impulse zueinander ermöglicht. According to the invention, this is achieved in that the signal conditioner consists of a sample-and-hold circuit with which the backscatter signal triggered periodically by a trigger pulse is sampled. The control signal for the sample-and-hold circuit is advantageously obtained with the aid of two ramp generators, the ramp of the one, the length of which corresponds to the selected time window, by each trigger pulse and that of the other, which corresponds to the length of the set measuring time, by a button is started. For each intersection of the ramps, a sample command is generated by means of a comparator, which slowly shifts relative to the trigger pulse and whose output signal triggers a square-wave pulse that can be adjusted in width. The output signal is averaged by means of an RC element in order to achieve an improvement in the signal-to-noise ratio. A laser module is preferably used as the light source. Furthermore, it is expedient if the trigger pulses for the laser module and ramp generators are generated by a pulse generator which enables the pulses to be shifted in time from one another.

Erfindungsgemäss wird demnach ein Reflektometer geschaffen, das aufgrung der Verwendung eines Sample-and-Hold-Schaltungsbausteins sehr einfach und preiswert herstellbar ist und das sich zur Verarbeitung von sehr schwachen Signalen mit variabler Auflösung (Torbreite) eignet. Vorzugsweise sind die Torzeiten variabel, was durch einfaches Umschalten möglich ist, wobei die Torzeitensteuerung mittels einer Impulsbreitenänderung eines Steuerimpulses für die Sample-and-Hold-Schaltung erfolgt. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass durch den internen Pulsgenerator eine leichte Gewinnung von weiteren Steuerimpulsen, z.B. für eine Regelung, ermöglicht ist, so dass das Reflektometer für höhere Genauigkeiten ausgebaut werden kann. According to the invention, a reflectometer is therefore created which is very simple and inexpensive to manufacture owing to the use of a sample-and-hold circuit module and which is suitable for processing very weak signals with variable resolution (gate width). The gate times are preferably variable, which is possible by simple switching, the gate time being controlled by means of a pulse width change of a control pulse for the sample-and-hold circuit. Another advantage of the invention is that the internal pulse generator makes it easy to obtain further control pulses, e.g. for regulation, is enabled so that the reflectometer can be removed for higher accuracy.

Anhand der beiliegenden Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen: The invention is explained in more detail, for example, with reference to the accompanying drawings. Show it:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemässen Re-flektometers, 1 shows a basic circuit diagram of a reflectometer according to the invention,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Signalaufbereitungselektronik, 2 is a block diagram of the signal conditioning electronics,

Fig. 3 eine Darstellung der Verschiebung des Sample-Be-fehls, 3 shows the displacement of the sample loading error,

Fig. 4 a und b einen Schaltplan der Signalaufbereitungselektronik und des Pulsgenerators. 4 a and b a circuit diagram of the signal conditioning electronics and the pulse generator.

In Fig. 1 ist ein Prinzipschaltbild des erfindungsgemässen Gerätes dargestellt. Dabei werden von einem durch einen Pulsgenerator 1 getriggerten Lasermodul 3 Lichtimpulse erzeugt von kurzer Dauer und hoher Intensität. Diese werden in eine Lichtleitfaser 6 eingekoppelt, und das von dieser rückgestreute Licht wird über einen Strahlenteiler 7 einer Fotodiode 8, vorzugsweise einer Avalanche-Fotodiode zugeführt. Als Strahlenteiler wird eine Lichtleiterverzweigung verwendet. Der nachgeschaltete Verstärker 9 besitzt eine grosse Bandbreite bei geringem Eigenrauschen. Zur Aufbereitung wird das verstärkte Signal einer Sample-and-Hold-Schaltung 10 mit nachgeschaltetem Mittler 11 zugeführt. Die Funktionsweise, insbesondere die einer Steuereinheit 2, soll anhand der Fig. 2 und 3 näher erläutert werden. Das durch einen Triggerimpuls periodisch ausgelöste Rückstreusignal wird mit der Sample-and-Hold-Schaltung 10 abgetastet. Bei langsamer Scan-Geschwindigkeit ermöglicht mehrmaliges Erfassen jedes Kurvenpunktes eine Signalmittelung im nachfolgenden RC-Glied 11, das dem Mittler 11 der Schaltung in Fig. 1 entspricht. Dadurch wird eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses erreicht. Die Steuereinheit 2 für die Sample-and-Hold-Schaltung besteht aus zwei Rampengeneratoren 14 und 15, wobei die Rampe, deren Länge dem gewählten Zeitfenster, also minimal der Länger des Rückstreusignals, entspricht, durch jeden Triggerimpuls und die andere Rampe, deren Länge der eingestellten Messzeit entspricht, durch einen Taster ausgelöst wird. Für jeden Schnittpunkt der Rampen, siehe Fig. 3, liefert ein Komparator 16 einen Sample-Befehl, der sich, wie in Fig. 3 gezeigt, langsam gegenüber dem Triggerimpuls verschiebt. Die Torzeit der Schaltung wird durch die Länge des vom Sample-Befehl ausgelösten, im Pulsgenerator 13 erzeugten Impulses bestimmt. 1 shows a basic circuit diagram of the device according to the invention. In this case, 3 light pulses of short duration and high intensity are generated by a laser module triggered by a pulse generator 1. These are coupled into an optical fiber 6, and the light backscattered by the latter is fed via a beam splitter 7 to a photodiode 8, preferably an avalanche photodiode. An optical fiber branch is used as a beam splitter. The downstream amplifier 9 has a wide bandwidth with low self-noise. For processing, the amplified signal is fed to a sample-and-hold circuit 10 with a downstream middle 11. The mode of operation, in particular that of a control unit 2, will be explained in more detail with reference to FIGS. 2 and 3. The backscatter signal triggered periodically by a trigger pulse is sampled with the sample and hold circuit 10. At slow scan speeds, repeated detection of each curve point enables signal averaging in the subsequent RC element 11, which corresponds to the median 11 of the circuit in FIG. 1. This improves the signal-to-noise ratio. The control unit 2 for the sample-and-hold circuit consists of two ramp generators 14 and 15, the ramp, the length of which corresponds to the selected time window, i.e. minimally the length of the backscatter signal, by each trigger pulse and the other ramp, the length of which corresponds to the set measuring time, is triggered by a button. For each intersection of the ramps, see FIG. 3, a comparator 16 supplies a sample command which, as shown in FIG. 3, slowly shifts with respect to the trigger pulse. The gate time of the circuit is determined by the length of the pulse triggered by the sample command and generated in the pulse generator 13.

In Fig. 4 ist der Schaltplan des Pulsgenerators 1 und der Signalaufbereitungselektronik näher erläutert. Das als Nadelpulsgenerator geschaltete Monoflop ICla triggert mit seinen negativen Flanken das Monoflop IClb, an dessen Ausgang ein Rechteckimpuls (Pretrigger) zur Verfügung steht, dessen Wiederholrate durch CI, RI, R2 und dessen Pulsbreite durch C2, R3, R4 bestimmt wird. Die Treiber IC2a und IC2b sorgen für einen niedrigen Ausgangswiderstand und die nötige Entkopplung von Pretrigger- und internem Ausgang. Das mit negativen Flanken getriggerte Monoflop IC3 erzeugt den eigentlichen Triggerimpuls, dessen Breite über C3, R7, R8 eingestellt werden kann. Zur Anpassung an die 50Q-Technik dient das Open-Collector-Gatter IC2c zusammen mit der nachfolgenden Transistorstufe. 4, the circuit diagram of the pulse generator 1 and the signal processing electronics is explained in more detail. The monoflop ICla, which is connected as a needle pulse generator, triggers with its negative edges the monoflop IClb, at the output of which a rectangular pulse (pretrigger) is available, the repetition rate of which is determined by CI, RI, R2 and the pulse width of which is determined by C2, R3, R4. The drivers IC2a and IC2b ensure a low output resistance and the necessary decoupling of pretrigger and internal output. The monoflop IC3 triggered with negative edges generates the actual trigger pulse, the width of which can be set via C3, R7, R8. The open collector gate IC2c together with the subsequent transistor stage is used to adapt to the 50Q technology.

Der Pulsgenerator liefert Rechteckimpulse mit einer Wiederholrate von 2 kHz —10 kHz, einer Breite von 100 ns bis The pulse generator supplies square-wave pulses with a repetition rate of 2 kHz - 10 kHz, a width of 100 ns to

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500 ns und einer Amplitude von 0 V bis 6 V an 50Q. Die Verzögerung (Delay) zwischen den Vorderflanken der Trigger- und Petriggerimpulse ist von 0,5|J, bis 2|i einstellbar, wobei der Jitter kleiner ist als 1 ns, somit ist eine zeitliche Verschiebung zwischen dem Triggerimpuls für den Lasermodul und dem für die Signalaufbereitungselektronik möglich. Zur Erzeugung der ADR-Rampen-Spannung wird der Kondensator Cll über eine regelbare Konstantstromquelle aus T2, T3 und R17 aufgeladen. IC5 stellt einen hochohmigen Abfrageverstärker dar, dessen Ausgangsspannung in IC6 mit einer Festspannung von 5 V verglichen wird. Erreicht die Rampenspannung diesen Wert, 500 ns and an amplitude of 0 V to 6 V at 50Q. The delay between the leading edges of the trigger and petrigger pulses can be set from 0.5 | J, to 2 | i, whereby the jitter is less than 1 ns, so there is a time shift between the trigger pulse for the laser module and that for the signal processing electronics possible. To generate the ADR ramp voltage, the capacitor C1 is charged via a controllable constant current source from T2, T3 and R17. IC5 represents a high-impedance interrogation amplifier, the output voltage of which is compared in IC6 with a fixed voltage of 5 V. If the ramp voltage reaches this value,

springt der Ausgang des Komporators auf High-Potential und steuert über das aus vier Nand-Gittern aufgebaute Flip-Flop (IC7) den Feldeffekt-Transistor T4 durch; Cll wird entladen. Zur Ansteuerung von T4 mit Spannungen von -10 V bzw. -2V (die letzte Spannung wurde zur Vermeidung von starken Unterschwingungen nicht höher gewählt) ist das Netzwerk aus IC 4, Dl, R13 und R14 erforderlich. D2, R15 und R16 haben Schutzfunktion. Ein Sperren von T4 und damit der Start einer neuen Rampe wird durch einen positiven Triggerimpuls am Rücksetzeingang des Flip-Flop IC7 ausgelöst. Der Scan-Rampengenerator besteht aus einer regelbaren Konstantstromquelle (T5, T6, R24), dem Kondensator C18 und dem Abfrageverstärker ICH. Bei Erreichen einer Rampenspannung von 5 V schaltet der Komparator IC12 über ein ODER-Gatter (IC9), ein Flip-Flop (IC8a, IC8b) und einen Treiber (IC10a) ein Reed-Relais B, dessen Kontakt b die Konstantstromquelle vom Kondensator C18 trennt. Dieser Vorgang kann bei beliebiger Rampenspannung auch durch einen Stop-Taster ausgelöst werden. Falls die Rampenspannung kleiner als 5 V ist, erlaubt der Start-Taster das Schliessen des Kontaktes b und damit ein (weiteres) Ansteigen der Kondensatorspannung. Die Entladung des Kondensators C18 erfolgt mit dem Taster Reset. R22 und C17 dienen zur Unterdrückung hochfrequenter Störimpulse am Ausgang des Komparators IC 12. Das Reed-Relais A bewirkt eine Einschaltverzögerung für die Versorgungsspannung der ADR-Konstantstromquelle. Die Anzeige des Scan-Vorganges erfolgt mit Hilfe einer LED. the output of the comparator jumps to high potential and controls the field effect transistor T4 through the flip-flop (IC7) made up of four nand gratings; Cll is being unloaded. The network of IC 4, DI, R13 and R14 is required to control T4 with voltages of -10 V or -2V (the last voltage was not chosen higher to avoid strong undershoots). D2, R15 and R16 have a protective function. Blocking T4 and thus starting a new ramp is triggered by a positive trigger pulse at the reset input of the flip-flop IC7. The scan ramp generator consists of a controllable constant current source (T5, T6, R24), the capacitor C18 and the interrogation amplifier ICH. When a ramp voltage of 5 V is reached, the comparator IC12 switches a reed relay B via an OR gate (IC9), a flip-flop (IC8a, IC8b) and a driver (IC10a), the contact b of which separates the constant current source from the capacitor C18 . With any ramp voltage, this process can also be triggered by a stop button. If the ramp voltage is less than 5 V, the start button allows contact b to be closed and the capacitor voltage to rise (further). The capacitor C18 is discharged with the Reset button. R22 and C17 are used to suppress high-frequency interference pulses at the output of the comparator IC 12. The reed relay A causes a switch-on delay for the supply voltage of the ADR constant current source. The scanning process is indicated by means of an LED.

Der Komparator IC13 liefert für jeden Schnittpunkt der beiden Rampen einen Spannungssprung, der den eigentlichen Sample-Befehl darstellt. Dieser triggert sowohl eine Schaltung mit Monoflopeigenschaften in Schottky-Technik IC15 (Torzeit 10 ns) wie auch ein herkömmliches Monoflop IC16 (Torzeiten 50,100,500 ns). Je nach gewählter Torzeit wird entweder der Ausgang des einen oder des anderen Monoflops durch einen Multiplexer IC17 über einen 50Q-Leitungstreiber IC18 auf den Steuereingang des Sample-and-Hold-Bausteines IC14 geschaltet. Die Pufferung des Gate-Ausgangs erfolgt über einen Leitungstreiber ICI 9. The comparator IC13 supplies a voltage jump for each intersection of the two ramps, which represents the actual sample command. This triggers a circuit with monoflop properties in Schottky technology IC15 (gate time 10 ns) as well as a conventional monoflop IC16 (gate times 50,100,500 ns). Depending on the gate time selected, either the output of one or the other monoflop is switched by a multiplexer IC17 via a 50Q line driver IC18 to the control input of the sample and hold module IC14. The gate output is buffered via a line driver ICI 9.

Das Ausgangssignal des Sample-and-Hold-Bausteins IC14 wird nach Mitteilung in R32, C26 über den Abfrageverstärker IC20 dem Ausgang entweder direkt oder über einen Logarithmierer IC21 zugeführt. After notification in R32, C26, the output signal of the sample-and-hold module IC14 is fed to the output via the query amplifier IC20 either directly or via a logarithmizer IC21.

3 3rd

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

c c

4 Blatt Zeichnungen 4 sheets of drawings

Claims

636 960 PATENT CLAIMS

1. Optical time-domain reflectometer for determining the attenuation of optical fibers, consisting of a light source, a beam splitter, a detector, an amplifier, a signal conditioner and a display device and associated control units, 5 characterized in that the signal conditioner consists of a sample and -Hold circuit (10) with which the backscatter signal triggered periodically by a trigger pulse is sampled.

2. Reflectometer according to claim 1, characterized in that the control signal for the sample-and-hold circuit (10) is obtained with the aid of two ramp generators (14, 15), the ramp of the one, the length of which is selected Time window corresponds to each trigger pulse and that of the other, the length of which corresponds to the set measuring time, 15 is started by a button.

3. Reflectometer according to claim 2, characterized in that for each intersection of the ramps by means of a comparator (16) a sample command (13) is issued, which slowly shifts relative to the trigger pulse and whose output signal is one in the Adjustable square pulse triggers.

4. Reflectometer according to claim 3, characterized in that the output signal is averaged by means of an RC element (11). 25th

5. Reflectometer according to claim 4, characterized in that the averaged output signal is fed to a logarithmizer (12).

6. reflectometer according to one of claims 2 to 5,

characterized in that the light source designed as a laser module (3) and the ramp generators (14, 15) are controlled jointly by a pulse generator (1).

7. reflectometer according to claim 6, characterized in that the pulse generator (1) enables a time shift of the trigger pulses for the laser module (3) and the control unit 35 (2) for the sample-and-hold circuit.

8. reflectometer according to claims 1 to 7, characterized in that the beam splitter (7) consists of a light guide branch.