DE19739563A1 - Lichtleitfaser-Verformungs-Meßvorrichtung - Google Patents
Lichtleitfaser-Verformungs-MeßvorrichtungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lichtleitfaser-
Verformungs-Meßvorrichtung, welche in der Lage ist, die
Verformung einer Lichtleitfaser durch Ermitteln und
Analysieren der natürlichen Brillouin-Streuung von Licht
innerhalb einer Lichtleitfaser zu messen.
Kürzlich wurden Lichtleitfaser-Verformungs-Meßvorrichtungen
entwickelt, welche solche Eigenschaften wie Verformung an
einer Lichtleitfaser durch Feststellen der natürlichen
Brillouin-Streuung von Licht innerhalb einer Lichtleitfaser
messen und diese Streuung von Licht analysieren. Der
Brillouin-Lichtleitfaser-Ringlaser wird als eine Vorrichtung
zur Messung der Eigenschaften einer Lichtleitfaser verwendet
und wendet die oben-genannte natürliche Brillouin-Streuung
von Licht an. Die Struktur des Brillouin-Lichtleitfaser-
Ringlasers wird unten mit Bezug auf Fig. 3 erklärt.
In dieser Figur ist 101 eine Lichtquelle, welche
kontinuierliches Licht einer optischen Bezugsfrequenz an
einen optischen Richtungskoppler 102 sendet. Der optische
Richtungskoppler 102 teilt das kontinuierliche Licht, welches
von der Lichtquelle 101 ausgesendet wird, in ein Meßlicht und
ein Referenzlicht, und schickt das Meßlicht zu einem Ton-
Licht-Schalter 104 und das Referenzlicht an einen optischen
Richtungskoppler 113.
Der Ton-Licht-Schalter 104 wandelt das kontinuierliche Licht,
welches vom optischen Richtungskoppler 102 ausgesendet wird,
in Lichtpulse um, und schickt Licht an einen Lichtzirkulator
106 mit einer Frequenz, welche durch die Zeit bestimmt wird,
welche benötigt wird, um die Länge einer optischen
Ringleitung zu durchlaufen (eine Leitung, welche eine Test-
Lichtleitfaser 107, einen Lichtleitfaser-Verstärker 109,
einen Ton-Licht-Schalter 123, einen optischen Bandpaßfilter
110, einen optischen Richtungskoppler 111, eine Verzögerungs-
Lichtleitfaser 112 und einen Licht-Isolator 108 enthält).
Während die Lichtpulse zur oben genannten optischen
Ringleitung geschickt werden, schickt der Lichtzirkulator 106
das Brillouin-rückgestreute Licht, welches in der Test-
Lichtleitfaser 107 erzeugt wurde, an den Ton-Licht-Schalter
123.
Der Ton-Licht-Schalter 123 zieht aus dem Brillouin
rückgestreuten Licht nur das rückgestreute Licht welche an
einer vorgeschriebenen Position innerhalb der Test-
Lichtleitfaser 107 erzeugt wurde, und schickt dies zum
Lichtleitfaser-Verstärker 109. Der Lichtleitfaser-Verstärker
109 gibt den Lichtsignalen, welche am Ton-Licht-Schalter 123
herausgezogen wurden, eine geeignete Verstärkung, um den
Lichtübertragungsverlust der optischen Ringleitung
auszugleichen.
Der optische Bandpaßfilter 110 beseitigt das spontan
ausgesendete Licht und das angeregte Licht, welches am
Lichtleitfaser-Verstärker 109 entstanden ist, und erlaubt nur
den Lichtsignalen zu passieren. Der optische Richtungskoppler
111 verzweigt die Lichtsignale, welche vom optischen
Bandpaßfilter 110 geschickt wurden, und schickt gleichzeitig
einen Teil zur Verzögerungs-Lichtleitfaser 112 der optischen
Ringschaltung und den anderen Teil zum optischen
Richtungskoppler 113.
Die Verzögerungs-Lichtleitfaser 112 erzeugt eine Verzögerung
bei den zugehörigen Lichtsignalen. Der Lichtisolator 108
schickt die Lichtsignale, welche bei der Test-Lichtleitfaser
107 eine Verzögerung hervorbringen, während er verhindert,
daß das Meßlicht, welches vom Lichtzirkulator 106 geschickt
wurde und welches durch die Test-Lichtleitfaser 107
übertragen wurde, passiert (in der Richtung der Verzögerungs-
Lichtleitfaser 112). Die Lichtsignale, welche vom
Lichtisolator 108 geschickt wurden, erhalten an der oben
vorgeschriebenen Position innerhalb der Test-Lichtleitfaser
107 aufgrund des Meßlichts, welches vom Lichtzirkulator 106
geschickt wurde, eine Brillouin-Verstärkung und werden durch
den Lichtzirkulator 106 zum Ton-Licht-Schalter 123 geschickt.
Der Ton-Licht-Schalter 123 zieht die Lichtsignale heraus,
welche die Brillouin-Verstärkung an der oben vorgeschriebenen
Position innerhalb der Test-Lichtleitfaser 107 erhalten
haben, und schickt die Lichtsignale zum Lichtleitfaser-
Verstärker 109. Diese Lichtsignale passieren den
Lichtleitfaser-Verstärker 109 und den optischen Bandpaßfilter
110 und verzweigen sich am optischen Richtungskoppler 111 zur
optischen Ringleitung und zum optischen Richtungskoppler
113 hin. Die Wiederholung dieses Vorganges verursacht, daß
die Lichtsignale, welche an der oben beschriebenen Position
herausgezogen wurden, jedes Mal, wenn die optische
Ringleitung durchlaufen wird, eine Brillouin-Verstärkung
erhalten.
Inzwischen synthetisiert der optische Richtungskoppler 113
die Lichtsignale, welche von der sekundären Route des
optischen Richtungskopplers 111 geschickt wurden, und das
Referenzlicht, welches von der sekundären Route des optischen
Richtungskopplers 102 geschickt wurde, und schickt das
synthetisierte Licht an einen Licht-Auffangabschnitt 121. Der
Licht-Auffangabschnitt 121 erhält die Lichtsignale, welche
vom optischen Richtungskoppler 113 geschickt wurden, und
wandelt die Lichtsignale in elektrische Signale um. Ein
elektrischer Spektrum-Analysator 122 ermittelt die
elektrischen Signale und mißt den Betrag der Verformung an
der oben vorgeschriebenen Position innerhalb der Test-
Lichtleitfaser 107.
Es sollte beachtet werden, daß mit Bezug auf die oben
beschriebene herkömmliche Lichtleitfaser-Verformungs-
Meßvorrichtung es ein Problem bei der Position, wo die
Verformung gemessen wird (d. h. die oben erwähnte
vorgeschriebene Position) gibt, welche durch die zeitliche
Einteilung, bei welcher der Ton-Licht-Schalter 123 das
Brillouin-Streulicht herauszieht, begrenzt ist.
Zusätzlich gibt es mit Bezug auf die oben beschriebene
herkömmliche Lichtleitfaser-Verformungs-Meßvorrichtung ein
Problem, daß die elektrischen Signale aufgrund des hohen
Frequenzbandes der synthetisierten Lichtsignale, welche
durch das Referenzlicht gebildet werden, nicht leicht zu
ermitteln sind, und die Lichtsignale, welche von der
optischen Ringleitung ausgegeben werden, ungefähr 10-12 GHz
betragen.
Zusätzlich gibt es mit Bezug auf die oben beschriebene
herkömmliche Lichtleitfaser-Verformungs-Meßvorrichtung ein
Problem, daß man nicht in der Lage ist, die Länge der
optischen Ringleitung zu messen, welche auch der Zyklus ist,
an welchen das Meßlicht geschickt wird.
Die vorliegende Erfindung wurde unter solch einem
Hintergrund erdacht, und schlägt daher vor, eine
Lichtleitfaser-Verformungs-Meßvorrichtung anzubieten, welche
die Messung der Verformung an einer beliebigen Position
innerhalb einer Lichtleitfaser erlaubt, und welche die
Messung der Länge der optischen Ringleitung, welche die
Lichtleitfaser enthält, erlaubt.
Die vorliegende Erfindung enthält eine Lichtquelle, welche
kontinuierliches Licht einer optischen Bezugsfrequenz
aussendet, ein primäres optisches Richtungskopplungsmittel
zum Befördern des kontinuierlichen Lichts nach der
Verzweigung in zwei, ein optisches Frequenz-Umwandlungsmittel
zum Verschieben der optischen Frequenz des ersten Zweiges des
kontinuierlichen Lichts, welches vom primären optischen
Richtungskopplungsmittel in einer schrittweisen Art für
vorgeschriebene Frequenzen während eines gegebenen Zyklus
geschickt wird, ein pulsendes Mittel zum Umwandeln der
Lichtsignale, welche von dem optischen Frequenz-
Umwandlungsmittel geschickt werden, in Pulse und zum
Schicken der Lichtpulse in einem vorgeschriebenen
Zeitintervall, eine optische Ringleitung, deren Länge die
Geschwindigkeit definiert, mit welcher die Pulse durch das
pulsende Mittel befördert werden, und welche eine Test-
Lichtleitfaser enthält, welche das Ziel der
Verformungsmessung ist, ein Licht-zirkulierendes Mittel zum
Befördern der Lichtpulse, welche vom pulsenden Mittel zur
Test-Lichtleitfaser geschickt werden, während es die
rückgestreuten Lichtsignale, welche innerhalb der Test-
Lichtleitfaser erzeugt werden, empfängt und schickt, ohne ihre
Ausbreitungsrichtung zu ändern, ein Lichtverstärkungsmittel
zur Verstärkung der rückgestreuten Lichtsignale, welche vom
Lichtzirkulationsmittel geschickt werden, ein optisches
geräuschbeseitigendes Mittel zur Beseitigung der
Geräuschkomponente, welche durch das Lichtverstärkungsmittel
von den rückgestreuten Lichtsignalen, welche durch das
Lichtverstärkungsmittel verstärkt wurden, erzeugt wurde, ein
sekundäres optisches Richtungskopplungsmittel zur Beförderung
der rückgestreuten Lichtsignale nach der Verzweigung, welche
vom optischen geräuschbeseitigenden Mittel befördert werden,
ein Verzögerungsmittel zum Anwenden einer Verzögerung auf den
ersten Zweig der rückgestreuten Lichtsignale, welche vom
sekundären optischen Richtungskopplungsmittel befördert
werden, und ein Lichtisolationsmittel zum Unterbrechen der
Lichtpulse, welche die Test-Lichtleitfaser passiert haben,
während die rückgestreuten Lichtsignale, welche vom
Verzögerungsmittel geschickt wurden, zur Test-Lichtleitfaser
geschickt werden, ein tertiäres optisches
Richtungskopplungsmittel zum Synthetisieren des zweiten
Zweiges der rückgestreuten Lichtsignale, welche vom
sekundären optischen Richtungskopplungsmittel geschickt
werden, mit dem zweiten Zweig des kontinuierlichen Lichts,
welches vom primären optischen Richtungskopplungsmittel
geschickt wurde, ein Licht-Auffangmittel zur Anwendung eines
Interferenz-Empfangsverfahrens, um die Lichtsignale, welche
vom tertiären optischen Richtungskopplungsmittel geschickt
wurden, zu empfangen, d. h. das kontinuierliche Licht, welches
vom primären optischen Richtungskopplungsmittel geschickt
wird, und die rückgestreuten Lichtsignale, welche vom
sekundären optischen Richtungskopplungsmittel geschickt
werden, und zur Umwandlung der Lichtsignale in elektrische
Signale, und ein Signal-verarbeitendes Mittel zum Messen der
Verformung der Test-Lichtleitfaser durch Verwendung der
elektrischen Signale, welche von dem Lichtauffangmittel
ausgegeben werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Signalerfassung
erleichtert, da das Frequenzband der zu ermittelnden
Lichtsignale niedrig gemacht werden kann.
Zusätzlich kann gemäß der vorliegenden Erfindung der Betrag
der Verformung an einer beliebigen Position innerhalb der
Test-Lichtleitfaser durch Ändern der zeitlichen
Leseeinteilung der digitalen Signale, welche vom A/D-Um
wandlungsabschnitt ausgegeben werden, erhalten werden,
sowie die Raumverteilung der Verformung durch Lesen der
Signale bei einer bestimmten Anzahl von verschiedenen
zeitlichen Einteilungen.
Zusätzlich kann gemäß der vorliegenden Erfindung die Länge
der optischen Lichtleitung gemessen werden.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, welches ein Beispiel einer
Struktur einer Lichtleitfaser-Verformungs-Meßvorrichtung
gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
darstellt.
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, welches ein Beispiel einer
Struktur des optischen Frequenz-Umwandlungsabschnitts 3 gemäß
der Ausführungsform von Fig. 1 darstellt.
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm, welches ein Beispiel einer
Struktur einer herkömmlichen Lichtleitfaser-Verformungs-
Meßvorrichtung darstellt.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unten
mit Bezug auf die Zeichnungen erklärt.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, welches ein Beispiel einer
Struktur einer Lichtleitfaser-Verformungs-Meßvorrichtung
gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
darstellt.
Mit Bezug auf dieses Diagramm ist 1 eine Lichtquelle, welche
kontinuierliches Licht einer optischen Bezugsfrequenz
aussendet, und es wird zum Beispiel ein MQW-DFB-LD mit einem
Frequenzband von 1,55 µm, welches automatische
Temperatursteuerung besitzt, angewendet. 2 ist ein optischer
Richtungskoppler, und das kontinuierliche Licht, welches in
die Lichteintrittsöffnung eintritt, wird zweigeteilt und wird
durch die zwei Lichtausgangsöffnungen ausgelassen. 3 ist ein
optischer Frequenz-Umwandlungsabschnitt, welcher das
eintretende kontinuierliche Licht in einen Strom von
Lichtpulsen umwandelt, deren Frequenzen in einer
schrittweisen Art zu vorgeschriebenen Frequenzen verschoben
werden.
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, welches ein Beispiel einer
Struktur des optischen Frequenz-Umwandlungsabschnitts 3
darstellt.
Mit Bezug auf dieses Diagramm ist 301 ein Ton-Licht-
Schalter, welcher das kontinuierliche Licht in Lichtpulse
umwandelt. 302 ist ein optischer Richtungskoppler, welcher
die Lichtsignale, welche durch zwei Lichteintrittsöffnungen
eintreten, zu einer Lichtausgangsöffnung befördert. 303 ist
ein Lichtleitfaser-Verstärker, welcher die eintretenden
Lichtsignale verstärkt. 304 ist eine Verzögerungs-
Lichtleitfaser, welche die eintretenden Lichtsignale um einen
vorgeschriebenen Zeitbetrag verzögert. 305 ist ein optischer
Bandpaßfilter, welcher zum Beispiel ein Lichtübertragungsband
von 5 mm aufweist. 306 ist ein optischer Frequenzverschieber,
welcher in Abhängigkeit von externen Steuersignalen die
Frequenzen der eintretenden Lichtsignale um einen Betrag
verschiebt, welcher mit dem eines RF-Oszillators (nicht
dargestellt) identisch ist. Solch ein RF-Oszillator kann zum
Beispiel Frequenzen im Bereich von 120 bis 122 Mhz haben. 307
ist ein optischer Richtungskoppler, welcher die Lichtsignale,
welche durch eine Lichteintrittsöffnung eintreten, aufteilt
und zu zwei Lichtausgangsöffnungen schickt.
Zurück zu Fig. 1, wo 4 ein Ton-Licht-Schalter ist, welcher in
Abhängigkeit von externen Steuersignalen die eintretenden
Lichtsignale ein- und ausschaltet. 5 ist ein Lichtschalter,
welcher, wenn die Verformung einer Test-Lichtleitfaser
gemessen wird, die Lichtpulse, welche vom Ton-Licht-Schalter
eintreten, zu einem Lichtzirkulator 6 schickt. Dann schickt
der Lichtschalter 5 die Lichtpulse, welche vom Ton-Licht-
Schalter 4 eingetreten sind, zu einem optischen
Richtungskoppler 11, wenn die Länge einer optischen
Ringleitung (eine Leitung, welche durch den Lichtzirkulator 6,
einen Lichtleitfaser-Verstärker 9, einen optischen
Bandpaßfilter 10, eine Verzögerungs-Lichtleitfaser 12, einen
Lichtisolator 8 und die Test-Lichtleitfaser 7) gemessen wird.
6 ist der Lichtzirkulator, welcher den Lichtsignalen, welche
in jede Öffnung eintreten, Lichtausgangsöffnungen zuteilt. 7
ist die Test-Lichtleitfaser, welche der Gegenstand der
Messung der vorliegenden Meßvorrichtung ist. 8 ist der
Lichtisolator, welcher die Richtung der Ausbreitung der
Lichtsignale beschränkt und nur eine Ausbreitung in einer
Richtung erlaubt. 9 ist der Lichtleitfaser-Verstärker,
welcher die eintretenden Lichtsignale verstärkt. Der
Lichtleitfaser-Verstärker kann zum Beispiel eine Er3+-dotierte
Faser und eine Lichtquelle zur Anregung der dotierten Faser
enthalten, wie eine 1,48 µm Halbleiter-Laserdiode. 10 ist der
optische Bandpaßfilter, welcher zum Beispiel einen
Durchlaßbereich von 5 nm besitzen kann. 11 ist der optische
Richtungskoppler, welcher zwei Lichteintrittsöffnungen und
zwei Lichtaustrittsöffnungen besitzt und welcher die
Lichtsignale, welche durch die zwei Lichteintrittsöffnungen
eingetreten sind, durch die geeigneten Lichtaustrittsöffnung
befördert. 12 ist die Verzögerungs-Lichtleitfaser, welche den
eintretenden Lichtsignalen eine Verzögerung verleiht. Die
Länge der Verzögerungs-Lichtleitfaser 12 ist größer oder
gleich wie die der Test-Lichtleitfaser.
13 ist ein optischer Richtungskoppler, welcher zwei
Lichteintrittsöffnungen und zwei Lichtaustrittsöffnungen
aufweist, und welcher die Lichtsignale, welche durch die zwei
Lichteintrittsöffnungen eingetreten sind, durch die passenden
Lichtaustrittsöffnungen befördert. 14 ist ein photo
elektrischer Wandler, welcher die zugeführten Lichtsignale in
elektrische Signale umwandelt. 15 ist ein Verstärker, welcher
die eingegebenen elektrischen Signale verstärkt. 16 ist ein
Bandpaßfilter, welcher die Geräusch-Komponente beseitigt und
es nur der Signalkomponente erlaubt, dadurch hindurch zu
senden. 17 ist ein Analog-Digital-Umwandlungsabschnitt,
welcher die eingegebenen analogen Signale in digitale Signale
umwandelt. 18 ist ein Signal-Verarbeitungsbereich, welcher
ein vorgeschriebenes Verfahren an den zugeführten
elektrischen Signalen durchführt und den Betrag der
Verformung der Test-Lichtleitfaser 7 erhält.
Als nächstes wird der Betrieb der oben beschriebenen
Lichtleitfaser-Verformungs-Meßvorrichtung mit Bezug auf Fig. 1
und 2 erklärt.
Das kontinuierliche Licht, welches von der Lichtquelle 1
ausgesendet wird, wird durch den optischen Richtungskoppler 2
verzweigt und zum optischen Frequenz-Umwandlungsabschnitt 3
und zum optischen Richtungskoppler 13 geschickt. Die Frequenz
des kontinuierlichen Lichts an diesem Punkt wird durch fo
dargestellt.
Das kontinuierliche Licht, welches zum optischen Frequenz-
Umwandlungsabschnitt 3 geschickt wird, wird im optischen
Frequenz-Umwandlungsabschnitt 3 in einen Strom von
Lichtpulsen umgewandelt, deren Frequenzen in einer
schrittweisen Art und Weise zu den vorgeschriebenen
Frequenzen verschoben werden.
Zuerst wird das kontinuierliche Licht, welches zum optischen
Frequenz-Umwandlungsabschnitt 3 geschickt wird, durch einen
Ton-Licht-Schalter 301, welcher in Fig. 2 dargestellt ist,
als Lichtpuls moduliert. Die Pulsbreite dieser Lichtpulse
kann zum Beispiel 2 µs betragen. Zusätzlich kann die Periode
dieser Lichtpulse von der Länge der oben-genannten optischen
Ringleitung abhängen. Die Länge dieser optischen Ringleitung
kann bei der vorliegenden Ausführungsform zum Beispiel 400 µs
bei der Zeitumwandlung betragen, und dieser Zeitbetrag ist
die Periode der Lichtpulse.
Die Lichtpulse, welche durch den Ton-Licht-Schalter 301
geschickt werden, werden in eine optische Schleife
eingeführt, welche einen optischen Richtungskoppler 302,
einen Lichtleitfaser-Verstärker 303, eine Verzögerungs-
Lichtleitfaser 304, einen optischen Bandpaßfilter 305, einen
optischen Frequenzverschieber 306 und einen optischen
Richtungskoppler 307 enthält.
Die Lichtpulse, welche in die optische Schleife eintreten,
erhalten am Lichtleitfaser-Verstärker 303 eine Verstärkung,
welche gleich ist wie der Verlust von der optischen Schleife,
erhalten an der Verzögerungs-Lichtleitfaser 304 eine
Verzögerung, welche größer oder gleich ist wie die Pulsbreite
der Lichtpulse, passieren durch den optischen Bandpaßfilter
305, erhalten am optischen Frequenzverschieber 306 eine
Verschiebung der optischen Frequenz für Frequenzen eines RF-Oszil
lators und werden am optischen Richtungskoppler 307 in
Lichtpulse aufgeteilt, welche vom optischen Frequenz-
Umwandlungsabschnitt ausgesendet werden und in Lichtpulse,
welche in die optische Schleife zurückbefördert werden.
Durch dieses Verfahren wird die optische Frequenz der
Lichtpulse, welche vom optischen Richtungskoppler 307
befördert werden, im Verhältnis zu der der ursprünglichen
Lichtpulse, welche in den optischen Frequenz-
Umwandlungsabschnitt 3 eintreten, verschoben.
Durch Wiederholen des gleichen Vorgangs wird ein Strom von
Lichtpulsen, deren optische Frequenzen in einer schrittweisen
Art und Weise zu Frequenzen eines RF-Oszillators (z. B. 120 MHz)
verschoben werden, aus der Lichtausgangsöffnung des
optischen Richtungskopplers 307 befördert. Dieser Strom von
Lichtpulsen ist die Ausgabe des optischen Frequenz-
Umwandlungsabschnitts 3.
Der Strom der Lichtpulse wird vom optischen Frequenz-
Umwandlungsabschnitt 3 zum Ton-Licht-Schalter 4 geschickt, wo
Lichtpulse, welche nur eine gewünschte optische
Frequenzkomponente besitzen, aus dem Strom der Lichtpulse
herausgezogen werden (die herausgezogenen Lichtpulse werden
im folgenden als "gepumptes Licht" bezeichnet). Dieses
gepumpte Licht passiert dann den Lichtschalter 5 und wird zum
Lichtzirkulator 6 befördert.
Eine gewünschte Frequenz der herauszuziehenden Lichtpulse
wird durch Einstellen der Frequenz des RF-Oszillators und
der Anzahl, wie oft der optische Frequenzverschieber 3
durchlaufen wird, d. h. wie oft die optische Schleife
durchlaufen wird (die Position innerhalb des Pulsstromes, an
welcher die Pulse herausgezogen werden), bestimmt. Zum
Beispiel können die (kann die optische Frequenz der)
Lichtpulse eine optische Frequenzverschiebung von ungefähr
10-12 GHz erhalten, welche mit einer Brillouin-
Frequenzverschiebung identisch ist. Zusätzlich wird die
Pulsbreite der Lichtpulse durch die Länge der Zeit bestimmt,
welche der Ton-Licht-Schalter 4 in der An-Position ist, und
kann zum Beispiel 1 µs sein. Zusätzlich entspricht die Periode
der Lichtpulse der Periode, bei welcher das Pulsen durch den
Ton-Licht-Schalter 301 innerhalb dem optischen Frequenz-
Umwandlungsabschnitt 3 durchgeführt wird (d. h. die Länge der
optischen Ringleitung). Die Frequenz der Lichtpulse an diesem
Punkt wird durch fo + Δf dargestellt.
Der Lichtzirkulator 6 schickt die durch den Ton-Licht-
Schalter 4 herausgezogenen Lichtpulse zur Test-Lichtleitfaser
7. Die zugehörigen Lichtpulse durchlaufen die ganze Länge der
Test-Lichtleitfaser 7, und es tritt eine Brillouin-Streuung
auf, welche die Frequenzverschiebung fb von ungefähr 10-12 GHz
begleitet.
Das Brillouin-rückgestreute Licht, welches durch die
Brillouin-Streuung erzeugt wurde, passiert den
Lichtzirkulator 6 und wird zur oben genannten optischen
Ringleitung befördert. An diesem Punkt gibt der
Lichtleitfaser-Verstärker 9 dem Brillouin-rückgestreuten
Licht eine geeignete Verstärkung, um den
Lichtübertragungsverlust der optischen Ringleitung
auszugleichen. Zusätzlich beseitigt der optische
Bandpaßfilter 10 das spontan ausgesendete Licht und das
angeregte Licht, welches am Lichtleitfaser-Verstärker 9
erzeugt wurde.
Als nächstes verzweigt sich das Brillouin-rückgestreute Licht
am optischen Richtungskoppler 11 zur optischen Ringleitung
und zum optischen Richtungskoppler 13.
Das Brillouin-rückgestreute Licht, welches zur optischen
Ringleitung geschickt wurde, nachdem es durch die
Verzögerungs-Lichtleitfaser 12 eine Verzögerung erfahren hat,
welche der der Test-Lichtleitfaser 7 entspricht, verläuft
durch den Lichtisolator 8 und tritt in die Test-
Lichtleitfaser 7 von einem Ende ein, welches dem
gegenüberliegt, wo das gepumpte Licht eintritt. An diesem
Punkt werden die Lichtpulse (gepumptes Licht) zuvor durch den
Lichtzirkulator 6 mit einer Periode, welche mit der identisch
ist, welche durch die Länge der optischen Ringleitung
bestimmt ist, in die Test-Lichtleitfaser 7 eingeführt, und
das Brillouin-rückgestreute Licht, welches sich durch die
optische Ringleitung ausgebreitet hat, kollidiert mit den
Lichtpulsen (gepumptem Licht) an einer Position, welche mit
der identisch ist, wo die Brillouin-Streuung zuvor entstanden
ist. Da die Frequenz des Brillouin-rückgestreuten Lichts
fo + Δf + fb ist, und die Frequenz des gepumpten Lichts fo + Δf
ist, ist ihre Differenz fb, was das gleiche ist, wie der Wert
der Brillouin-Frequenzverschiebung. Wenn Lichtsignale mit
dieser Art von Unterschied in den Frequenzen kollidieren,
tritt ein Brillouin-Verstärkungsphänomen auf, wobei das
Brillouin-rückgestreute Licht verstärkt wird.
Außerdem wird, da das gepumpte Licht, welches durch den
Lichtzirkulator 6 befördert wurde, durch den Lichtisolator 8
unterbrochen wird, nachdem es durch die Test-Lichtleitfaser
7 verlaufen ist, es sich nicht durch die ganze optische
Ringleitung ausbreiten.
Das Brillouin-verstärkte rückgestreute Licht passiert den
Lichtzirkulator 6 auf die gleiche Weise wie das frühere
Brillouin-rückgestreute Licht, und nach Erhalt einer
Verstärkung durch den Lichtleitfaser-Verstärker 9, verläuft
es durch den optischen Bandpaßfilter 10 und wird zum
optischen Richtungskoppler 11 geschickt.
Der optische Richtungskoppler 11 verzweigt das eintretende
Licht nochmals. Das verzweigte Brillouin-verstärkte
rückgestreute Licht wird zurück in die optische Ringleitung
und zum optischen Richtungskoppler 13 gerichtet.
Das rückgestreute Licht, welches zur optischen Ringleitung
geschickt wurde, kollidiert innerhalb der Test-Lichtleitfaser
7 mit dem gepumpten Licht, welches vom Lichtzirkulator 6 auf
die gleiche Weise wie oben beschrieben, befördert wurde, und
wird folglich verstärkt. Auf diese Weise unterzieht sich das
Brillouin-rückgestreute Licht jedes Mal einer Brillouin-
Verstärkung innerhalb der Test-Lichtleitfaser 7, wenn der
ganze Zyklus der optischen Ringleitung beendet ist.
Inzwischen wird das rückgestreute Licht, welches vom
optischen Richtungskoppler 11 zum optischen Richtungskoppler
13 geschickt wurde, mit dem Referenzlicht des
kontinuierlichen Lichts mit einer Frequenzkomponente fo,
welches vom optischen Richtungskoppler 2 geschickt wurde,
synthetisiert.
Die Lichtsignale, welche vom optischen Richtungskoppler 13
befördert wurden, werden durch den photo-elektrischen
Konverter 14 empfangen und in elektrische Signale
umgewandelt. Der photo-elektrische Konverter 14 ermittelt nur
Signale eines niedrigen Bandes mit einer Frequenzkomponente
von Δf - fb. Außerdem ist das Frequenzband der Lichtsignale,
welche ermittelt werden können, im Bereich von einigen
hundert MHz; und die Lichtsignale können in elektrische
Signale umgewandelt werden, wenn der Betrag der
Frequenzverschiebung Δf durch den optischen Frequenz-
Umwandlungsabschnitts 3 und der Betrag der Brillouin-
Frequenzverschiebung fb, welche innerhalb der Test-
Lichtleitfaser 7 erzeugt wird, fast identisch ist.
Danach verstärkt der Verstärker 15 das Niveau der
umgewandelten elektrischen Signale. Der Bandpaßfilter 16
beseitigt die Geräuschkomponente von den verstärkten
elektrischen Signalen und übermittelt nur die
Signalkomponente. Der A/D-Umwandlungsabschnitt 17 wandelt die
elektrischen Signale (analoge Signale) in digitale Signale
um.
Der Signal-Verarbeitungsabschnitt 18 nimmt von den digitalen
Signalen bei beliebigem Timing Proben, führt die
erforderlichen Prozesse durch und ermittelt den Betrag der
Verformung. Durch Steuerung des Probennahme-Timings an diesem
Punkt, kann das Brillouin-rückgestreute Licht von einer
gewünschten Position innerhalb der Test-Lichtleitfaser 7
ermittelt und folglich der Betrag der Verformung erhalten
werden. Zusätzlich kann durch Vorsehen einer Vielzahl von
Probennahme-Timings der Betrag der Verformung einer Vielzahl
von verschiedenen Positionen innerhalb der Test-
Lichtleitfaser 7 ermittelt und die Raumverteilung der
Verformung gemessen werden.
Als nächstes wird der Betrieb der vorliegenden Vorrichtung
erklärt, wenn die Länge der optischen Ringleitung gemessen
wird. In diesem Fall wird, da der Betrieb der Lichtquelle 1,
des optischen Richtungskopplers 2, des optischen Frequenz-
Umwandlungsabschnitts 3 und des Ton-Licht-Schalters 4 mit dem
identisch ist, wenn die Verformung gemessen wird, wenn die
Tatsache ausgeschlossen wird, daß der Lichtpuls, der in den
Lichtschalter 5 eintritt, ein einzelner Puls ist (d. h. kein
wiederholter Puls), auf ihre Erklärungen verzichtet.
Als nächstes schickt der Lichtschalter 5, wenn die Länge der
optischen Ringleitung gemessen wird, die Lichtpulse vom Ton-
Licht-Schalter 4 zum optischen Richtungskoppler 11. Der
optische Richtungskoppler 11 verzweigt die Lichtpulse, welche
vom Lichtschalter 5 geschickt werden in zwei, und schickt die
Lichtpulse von der primären Strecke zur optischen
Ringleitung, während die Lichtpulse von der sekundären
Strecke zum optischen Richtungskoppler 13 geschickt werden.
Zusätzlich schickt der optische Richtungskoppler 11 die
Lichtpulse, welche zuvor durch die primäre Strecke des
optischen Richtungskopplers 11 zur optischen Ringleitung
geschickt wurden, und welche sich durch die optische
Ringleitung ausgebreitet haben, zum tertiären optischen
Richtungskoppler.
Der optische Richtungskoppler 13 schickt dem Licht-
Auffangabschnitt die beiden Typen von Lichtpulsen, welche vom
optischen Richtungskoppler 11 geschickt wurden (die
Lichtpulse, welche sich nicht durch die optische Ringleitung
ausgebreitet haben, und die Lichtpulse, welche sich durch die
optische Ringleitung ausgebreitet haben). Der photo
elektrische Konverter 14 wandelt die beiden Typen der
Lichtpulse in elektrische Signale um. Der Signal-
Verarbeitungsabschnitt 18 ermittelt die zwei Typen von
Lichtpulsen, welche in elektrische Signale umgewandelt
wurden, und erhält durch Messen des Intervalls beider
Lichtpulse die Länge der optischen Ringleitung unter
Verwendung des gemessenen Intervalls und der
Ausbreitungsgeschwindigkeit der Lichtpulse.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde mit
Bezug auf ihre Zeichnungen im Detail beschrieben, aber es
wird verstanden, daß Variationen und Abwandlungen im Geist
und Rahmen der Erfindung durchgeführt werden können.
Claims (5)
1. Lichtleitfaser-Verformungs-Meßvorrichtung enthaltend:
eine Lichtquelle, welche kontinuierliches Licht einer optischen Bezugsfrequenz aussendet;
ein primäres optisches Richtungskopplungsmittel zum Befördern des kontinuierlichen Lichts nach der Verzweigung in zwei;
ein optisches Frequenz-Umwandlungsmittel zum Verschieben der optischen Frequenz des ersten der zwei Zweige des kontinuierlichen Lichts, welches vom primären optischen Richtungskopplungsmittel in einer schrittweisen Art für vorgeschriebene Frequenzen während eines gegebenen Zyklus geschickt wird;
ein pulsendes Mittel zum Umwandeln der Lichtsignale welche von dem optischen Frequenz-Umwandlungsmittel geschickt werden, in Pulse und zum Schicken der Lichtpulse in einem vorgeschriebenen Zeitintervall;
eine optische Ringleitung, deren Länge die Geschwindigkeit definiert, mit welcher die Pulse durch das pulsende Mittel befördert werden, welche eine Test-Lichtleitfaser enthält, welche das Ziel der Verformungsmessung ist, ein Licht zirkulierendes Mittel zum Befördern der Lichtpulse, welche vom pulsenden Mittel zur Test-Lichtleitfaser geschickt werden, während es die rückgestreuten Lichtsignale, welche innerhalb der Test-Lichtleitfaser erzeugt werden, empfängt und schickt, ohne ihre Ausbreitungsrichtung zu ändern, ein Lichtverstärkungsmittel zur Verstärkung der rückgestreuten Lichtsignale, welche vom Lichtzirkulationsmittel geschickt werden, ein optisches geräuschbeseitigendes Mittel zur Beseitigung der Geräuschkomponente, welche durch das Lichtverstärkungsmittel von den rückgestreuten Lichtsignalen, welche durch das Lichtverstärkungsmittel verstärkt wurden, erzeugt wurde, ein sekundäres optisches Richtungskopplungsmittel zur Beförderung der rückgestreuten Lichtsignale nach der Verzweigung, welche vom optischen geräuschbeseitigenden Mittel befördert werden, ein Verzögerungsmittel zum Anwenden einer Verzögerung auf den ersten der zwei Zweige der rückgestreuten Lichtsignale, welche vom sekundären optischen Richtungskopplungsmittel befördert werden, und ein Lichtisolationsmittel zum Unterbrechen der Lichtpulse, welche die Test-Lichtleitfaser passiert haben, während die rückgestreuten Lichtsignale, welche vom Verzögerungsmittel geschickt wurden, zur Test- Lichtleitfaser geschickt werden;
ein tertiäres optisches Richtungskopplungsmittel zum Synthetisieren des zweiten der zwei Zweige der rückgestreuten Lichtsignale, welche vom sekundären optischen Richtungskopplungsmittel geschickt werden, mit dem zweiten Zweig des kontinuierlichen Lichts, welches vom primären optischen Richtungskopplungsmittel geschickt wurde;
ein Licht-Auffangmittel zur Anwendung eines Interferenz- Empfangsverfahrens, um die Lichtsignale, welche vom tertiären optischen Richtungskopplungsmittel geschickt werden, zu empfangen, d. h. das kontinuierliche Licht, welches vom primären optischen Richtungskopplungsmittel geschickt wird, und die rückgestreuten Lichtsignale, welche vom sekundären optischen Richtungskopplungsmittel geschickt werden, und zur Umwandlung der Lichtsignale in elektrische Signale; und
ein Signal-verarbeitendes Mittel zum Messen der Verformung der Test-Lichtleitfaser durch Verwendung der elektrischen Signale, welche von dem Lichtauffangmittel ausgegeben werden.
eine Lichtquelle, welche kontinuierliches Licht einer optischen Bezugsfrequenz aussendet;
ein primäres optisches Richtungskopplungsmittel zum Befördern des kontinuierlichen Lichts nach der Verzweigung in zwei;
ein optisches Frequenz-Umwandlungsmittel zum Verschieben der optischen Frequenz des ersten der zwei Zweige des kontinuierlichen Lichts, welches vom primären optischen Richtungskopplungsmittel in einer schrittweisen Art für vorgeschriebene Frequenzen während eines gegebenen Zyklus geschickt wird;
ein pulsendes Mittel zum Umwandeln der Lichtsignale welche von dem optischen Frequenz-Umwandlungsmittel geschickt werden, in Pulse und zum Schicken der Lichtpulse in einem vorgeschriebenen Zeitintervall;
eine optische Ringleitung, deren Länge die Geschwindigkeit definiert, mit welcher die Pulse durch das pulsende Mittel befördert werden, welche eine Test-Lichtleitfaser enthält, welche das Ziel der Verformungsmessung ist, ein Licht zirkulierendes Mittel zum Befördern der Lichtpulse, welche vom pulsenden Mittel zur Test-Lichtleitfaser geschickt werden, während es die rückgestreuten Lichtsignale, welche innerhalb der Test-Lichtleitfaser erzeugt werden, empfängt und schickt, ohne ihre Ausbreitungsrichtung zu ändern, ein Lichtverstärkungsmittel zur Verstärkung der rückgestreuten Lichtsignale, welche vom Lichtzirkulationsmittel geschickt werden, ein optisches geräuschbeseitigendes Mittel zur Beseitigung der Geräuschkomponente, welche durch das Lichtverstärkungsmittel von den rückgestreuten Lichtsignalen, welche durch das Lichtverstärkungsmittel verstärkt wurden, erzeugt wurde, ein sekundäres optisches Richtungskopplungsmittel zur Beförderung der rückgestreuten Lichtsignale nach der Verzweigung, welche vom optischen geräuschbeseitigenden Mittel befördert werden, ein Verzögerungsmittel zum Anwenden einer Verzögerung auf den ersten der zwei Zweige der rückgestreuten Lichtsignale, welche vom sekundären optischen Richtungskopplungsmittel befördert werden, und ein Lichtisolationsmittel zum Unterbrechen der Lichtpulse, welche die Test-Lichtleitfaser passiert haben, während die rückgestreuten Lichtsignale, welche vom Verzögerungsmittel geschickt wurden, zur Test- Lichtleitfaser geschickt werden;
ein tertiäres optisches Richtungskopplungsmittel zum Synthetisieren des zweiten der zwei Zweige der rückgestreuten Lichtsignale, welche vom sekundären optischen Richtungskopplungsmittel geschickt werden, mit dem zweiten Zweig des kontinuierlichen Lichts, welches vom primären optischen Richtungskopplungsmittel geschickt wurde;
ein Licht-Auffangmittel zur Anwendung eines Interferenz- Empfangsverfahrens, um die Lichtsignale, welche vom tertiären optischen Richtungskopplungsmittel geschickt werden, zu empfangen, d. h. das kontinuierliche Licht, welches vom primären optischen Richtungskopplungsmittel geschickt wird, und die rückgestreuten Lichtsignale, welche vom sekundären optischen Richtungskopplungsmittel geschickt werden, und zur Umwandlung der Lichtsignale in elektrische Signale; und
ein Signal-verarbeitendes Mittel zum Messen der Verformung der Test-Lichtleitfaser durch Verwendung der elektrischen Signale, welche von dem Lichtauffangmittel ausgegeben werden.
2. Lichtleitfaser-Verformungs-Meßvorrichtung nach Anspruch
1, worin der Betrag der Frequenzverschiebung gemäß dem
optischen Frequenz-Umwandlungsmittel beliebig festgesetzt
werden kann.
3. Lichtleitfaser-Verformungs-Meßvorrichtung nach Anspruch
1 oder 2, worin der Betrag der Frequenzverschiebung gemäß dem
optischen Frequenz-Umwandlungsmittel mit dem einer Brillouin-
Frequenzverschiebung von ungefähr 10-12 GHz identisch ist.
4. Lichtleitfaser-Verformungs-Meßvorrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis 3, bei welcher das Signalverarbeitungsmittel
folgendes enthält:
einen Verstärkungsabschnitt, welcher die vom Licht- Auffangmittel ausgegebenen elektrischen Signale verstärkt;
einen Bandpaßfilter, welcher nur die Übertragung von Signalkomponenten der elektrischen Signale, welche durch den Verstärkungsabschnitt verstärkt wurden, erlaubt;
einen A/D-Umwandlungsabschnitt, welcher die elektrischen Signale, welche vom Bandpaßfilter ausgegeben werden, in digitale Signale umwandelt; und
einen Signalverarbeitungsabschnitt, welcher bei variablem Timing die digitalen Signale, welche vom A/D-Um wandlungsabschnitt ausgegeben werden, liest und welcher die Verformung der Test-Lichtleitfaser auf der Basis der digitalen Signale erhält.
einen Verstärkungsabschnitt, welcher die vom Licht- Auffangmittel ausgegebenen elektrischen Signale verstärkt;
einen Bandpaßfilter, welcher nur die Übertragung von Signalkomponenten der elektrischen Signale, welche durch den Verstärkungsabschnitt verstärkt wurden, erlaubt;
einen A/D-Umwandlungsabschnitt, welcher die elektrischen Signale, welche vom Bandpaßfilter ausgegeben werden, in digitale Signale umwandelt; und
einen Signalverarbeitungsabschnitt, welcher bei variablem Timing die digitalen Signale, welche vom A/D-Um wandlungsabschnitt ausgegeben werden, liest und welcher die Verformung der Test-Lichtleitfaser auf der Basis der digitalen Signale erhält.
5. Lichtleitfaser-Verformungs-Meßvorrichtung nach Anspruch
1, 2, 3 oder 4, welche ferner einen Lichtschalter enthält,
welcher die Lichtpulse, welche von dem pulsenden Mittel
geschickt werden, entweder zum Lichtzirkulationsmittel oder
zum sekundären optischen Richtungskopplungsmittel schickt,
und wobei
das sekundäre optische Richtungskopplungsmittel die Lichtpulse, welche vom Lichtschalter geschickt werden in zwei verzweigt, den ersten der zwei Zweige zum Verzögerungsmittel schickt und den zweiten der zwei Zweige zum tertiären optischen Richtungskopplungsmittel schickt, während dem tertiären optischen Richtungs-Kopplungsmittel die Lichtpulse geschickt werden, welche vom sekundären optischen Richtungskopplungsmittel zum Verzögerungsmittel geschickt wurden und welche sich durch die optische Ringleitung ausgebreitet haben;
das tertiäre optische Richtungskopplungsmittel die Lichtpulse aussendet, welche vom sekundären optischen Richtungskopplungsmittel geschickt wurden, d. h. die Lichtpulse, welche sich nicht durch die optische Ringleitung ausgebreitet haben und die Lichtpulse, welche sich durch die optische Ringleitung ausgebreitet haben;
das Licht-Auffangmittel die Lichtpulse, welche sich nicht durch die optische Ringleitung ausgebreitet haben, und die Lichtpulse, welche sich durch die optische Ringleitung ausgebreitet haben, in elektrische Signale umwandelt; und das Signal-Verarbeitungsmittel das Intervall der Lichtpulse mißt, welche durch die elektrischen Signale, welche vom Licht-Auffangmittel ausgegeben werden, angegeben werden, und die Länge der optischen Ringleitung auf dem Intervall und der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Lichtpulse basierend erhält.
das sekundäre optische Richtungskopplungsmittel die Lichtpulse, welche vom Lichtschalter geschickt werden in zwei verzweigt, den ersten der zwei Zweige zum Verzögerungsmittel schickt und den zweiten der zwei Zweige zum tertiären optischen Richtungskopplungsmittel schickt, während dem tertiären optischen Richtungs-Kopplungsmittel die Lichtpulse geschickt werden, welche vom sekundären optischen Richtungskopplungsmittel zum Verzögerungsmittel geschickt wurden und welche sich durch die optische Ringleitung ausgebreitet haben;
das tertiäre optische Richtungskopplungsmittel die Lichtpulse aussendet, welche vom sekundären optischen Richtungskopplungsmittel geschickt wurden, d. h. die Lichtpulse, welche sich nicht durch die optische Ringleitung ausgebreitet haben und die Lichtpulse, welche sich durch die optische Ringleitung ausgebreitet haben;
das Licht-Auffangmittel die Lichtpulse, welche sich nicht durch die optische Ringleitung ausgebreitet haben, und die Lichtpulse, welche sich durch die optische Ringleitung ausgebreitet haben, in elektrische Signale umwandelt; und das Signal-Verarbeitungsmittel das Intervall der Lichtpulse mißt, welche durch die elektrischen Signale, welche vom Licht-Auffangmittel ausgegeben werden, angegeben werden, und die Länge der optischen Ringleitung auf dem Intervall und der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Lichtpulse basierend erhält.
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