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"Optische fleßanordnung zur Ermittlung von
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Fehlerstellen in Lichtleitfasern" Die Erfindung bezieht sich auf
eine optische Meßanordnung zur Ermittlung von Fehlerstellen in Lichtleitfasern.
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Lichtleitfasern sollen in naher Zukunft als Ubertragungsmedium in
breitbandigen optischen Nachrichtendbertragungssystemen eingesetzt werden.
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Fiir den betriebssicheren Einsatz von Nachrichtenkabeln mit Lichtleitfasern
ist eine wichtige Voraussetzung, daß auitretende Pehlerstellen ,beispielsweise Bruchstellen
in verkabelten Lichtleitrasern,schnell und zuverlässig geortet werden können.
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Eine Möglichkeit dazu bietet - bei bekannter iusbreitungsgeschwindigkeit
des Lichtes in der Faser - die Messung der Laufzeit des an einer Faserbruchstelle
reflektierten Lichtes vom Faseranfang bis zu der Bruchstelle und zurück. Wegen der
Bampfungsverluste in der Faser und der geringen Reflexion an der Bruchstelle ist
Jedoch die am Faseranfang wiederaustretende Lichtleistung sehr niedrig im Vergleich
zu der ursprünglich eingekoppelten Lichtleistung. Es ist daher erforderlich, eine
möglichst hohe Lichtleistung in die Faser einzukoppeln, um hinreichende Signalleistungen
zu erhalten. Daher werden bei diesem Verfahren vorzugsweise sehr leistungsstarke
Laser als Lichtquellen und hochempfindliche Lichtempfänger verwendet.
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Zur Fehlerortung mittels einer Laufzeitmessung müssen die auf die
Lichtleitfaser zulaufende und die aus ihr wieder austretenden Lichtanteile voneinander
getrennt werden. Dies erfolgt bisher mit teildurchlässigen Spiegeln, wobei Jedoch
hohe Lichtleistungsverluste in Kauf genommen werden müssen.
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Der Erfindung liegt die rufgabe zugrunde, eine Meßanordnung der eingangs
näher bezeichneten list so ZU verbessern, daß die infolge der Strahlenteilung auftretenden
Lichtleistungsverluste weitgehend reduziert werden. Dieses Problem wird bei einer
optischen Neßanordnung zur Ermittlung von Fehlerstellen in Lichtleitfasern mit einer
Lichtquelle, mit Mitteln zur Einkopplung
der von der Lichtquelle
ausgesandten Strahlung in eine Lichtleitfaser, mit einem Lichtempfänger zum Empfang
der an Fehlerstellen in der Lichtleitfaser reflektierten Strahlung, sowie Mittelnzur
Auftrennung der in die Lichtleitfaser eingekoppelten bzw. an Fehlerstellen reflektierten
Lichtanteile erfindungsgemäß durch eine Anordnung gelöst, die gekennzeichnet ist
durch einen im Strahlengang zwischen Lichtquelle und Faserstirnfläche einer Lichtleitfaser
geneigt angeordneten, im Zentrum lichtdurchlä gen Spiegel, ein erstes zwischen Lichtquelle
und Spiegel angeordnetes, die Strahlung der Lichtquelle in die Spiegelöffnung fokussierendes
optisches Bauelement, ein zweites, im Strahlengang zwischen Spiegel und Faserstirnfläche
angeordnetes, die Spiegelöffnung auf die Faserstirnfläche abbildendes optisches
Bauelement, sowie ein drittes in senkrecht zum Beleuchtungsstrahlengang verlaufenden
Strahlengang zwischen Spiegel und Lichtempfänger angeordnetes optisches Bauelement,
das die an Fehlerstellen reflektierte Strahlung auf den Lichtempfänger fokussiert.
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Die Erfindung bietet im wesentlichen den Vorteil, daß Fehlerstellen
in Lichtleitfasern mit einer weniger aufwendigen und damit preisgünstigeren Meßanordnung
geortet werden können. So kann einerseits bei Verwendung eines Lasers mit hoher
Ausgangsleitung als Lichtquelle ein zwar weniger empfindlicher aber robuster
und
einfacher Lichtempfänger eingesetzt werden; andererseits kann bei Anwendung eines
hochempfindlichen Lichtempfängers als Lichtquelle ein preisgünstiger Laser mit geringer
Ausgangsleistung eingesetzt werden0 Weiterhin können wesentlich längere Lichtleiterstrecken
auf möglicherweise vorhandene Fehler überprüft werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezug
auf die Zeichnung erläutert. Zum besseren Verständnis der erfindungsgemäßen Lösung
wird dazu kurz auf eine in Figur 1 dargestellte, an sich bekannte Anordnung zur
Strahlenteilung eingegangen. In Figur 1 ist mit 5 eine Lichtleitfaser bezeichnet,
die eine Fehlexstelle, beispielsweise eine Bruchstelle 6, enthält Die Lage dieser
Bruchstelle kann nach der an sich bekannten Echoimpulsmethode ermittelt werden,
bei der Licht in die Lichtleitfaser eingekoppelt wird, das an der Bruchstelle reflektiert
wird und zum Faseranfang zurückläuft, Durch Messung der Laufzeit des Lichts kann
bei bekannter Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes in der Lichtleitfaser der
Ort der Fehlerstelle mit großer Genauigkeit bestimmt werden. Eine möglichst genaue
Lokalisierung derartiger Fehlerstellen ist Voraussetzung für eine umgehende Instandsetzung
der Ubertragungsstrecke. Bei der bekannten Meßanordnung wird die von einer Lichtquelle
1 ausgehende Strahlung 2 durch einen im Strahlengang geneigt angeordneten, teildurchlässigen
Spiegel 3 mit Reflexionsvermögen R und Transmissionsvermögen T hindurchgeleitet
und mittels einer Linse
4 auf die Stirnfläche einer Lichtleitfaser
5 fokussiert. Nach einer ersten Reflexion an der Bruchstelle 6 läuft das Licht zum
Fasereingang zurück, wird am Spiegel 3 nochmals reflektiert und dabei auf den Lichtempfänger
7 abgelenkt. Durch Verwendung eines teildurchlässigen Spiegels 3 zur Trennung des
in die Lichtleitfaser 5 eingekoppelten Lichtanteils von dem an der Bruchstelle 6
reflektierten Lichtanteil müssen relativ hohe Strahlungsverluste in Kauf genommen
werden. Von der vorhandenen Lichtleistung wird nur ein Bruchteil von (1-T)R ausgenutzt.
lis optimal gilt ein halbdurchlässiger Spiegel 3 mit RT s0,5. In diesem Fall wird
die Lichtleistung nur zu 25% ausgenutzt. Bei dieser Modellrechnung bleiben bei Einkopplung
mit Ausbreitung des Lichts in der Lichtleitfaser auftretende Verluste außer Betracht,
da diese in gleicher Weise bei der erfindungsgemäßen Neßanordnung auftreten.
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Bei der in Figur 2 dargestellten erfindungsgemäßen Meßanordnung kann
die vorhandeDeLichtleistung zu nahzu 100% ausgenutzt werden. bls Lichtquelle 1 wird
vorzugsweise ein im Grundmodus schwingender Laser verwendet. Der von diesem Laser
erzeugte Lichtstrahl wird von einem im Strahlengang angeordneten optischen Bauelement,
zweckmäßig von einer Bikonvexlinse 8 in den Fokus F1 fokussiert.
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Fokus F1 wiederum wird von einem weiteren optischen Bauelement 10,
welches zweckmäßig ebenfalls eine Bikonvexlinse ist, in den Fokus F2 abgebildet.
Dabei liegt der Fokus P2 zentrisch zur Faserstirnfläche 11 und hat einen Durchmesser,
der klein ist gegen den Xerndurchmesser der aus einem Kern- und Mantelbereich bestehenden
Lichtleitfaser 5.
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Zweckmäßig wird der Konvergenzwinkel des auf die Faserstirnfläche
ii auftreffenden Lichtstrahles gleich dem Akzeptanzwinkel der Lichtleitfaser 5 gewählt.
Dadurch können nahezu alle in der Lichtleitfaser 5 ausbreitungsfähigen Moden angeregt
werden. Nach Reflexion an der Bruchstelle 6 leuchtet das reflektierte Licht den
Kern der Lichtleitfaser 5 an der Faserstirnfläche 11 voll aus. Die Linse 10 bildet
den ausgeleuchteten Faserkern nach F1 ab, wobei das Bild in F1 zum Fokusdurchmesser
in F1 für das hinlaufende Licht um den gleichen Faktor V vergrößert ist, wie der
Kerndurchmesser zum Fokusdurchmesser in F2 für das hinlaufende Licht.
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Am Ort von F1 ist ein Spiegel 9 unter einem Winkel, vorzugsweise unter
einem Winkel von 450, im Strahlengang angeordnet, der im Zentrum lichtdurchlässig
ist. Die lichtdurchlässige Stelle ist dem Fokusdurchmesser für das hinlaufende Licht
so angepaßt, daß es hindurchtreten kann. Das rücklaufende, von der Fehlerstelle
6 reflektierte Licht wird Jedoch bis auf den durch die lichtdurchlässige Stelle
fallenden Teil reflektiert und kann mit der Linse 12 auf dem Photoempfänger 7 gesammelt
werden.
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Bei gleichmäßiger Ausleuchtung des Faserkerne wird Jetzt von der ursprünglichen
Lichtleistung näherungsweise ein Anteil von
(Fokusdurchmesser in
F2)² 1 -Kerndurchmesser² ausgenutzt. Das ist fast 100 %0 Sehr gute Ergebnisse wurden
mit einem nachfolgend detailliert beschriebenen Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Meßanordnung erzielt. Eine Lichtleitfaser 5hatte einen Akzeptanzwinkel 20( = 11,50,
entsprechend einer numerischen Apertur von 0.10 und einen Kerndurchmesser von ca.
60/um. Als Lichtquelle 1 wurde ein Neodym-IAG-Laser mit Ausgangs strahlung der Wellenlänge
W-1,06/um verwendet. Der kollimierte Ausgangsstrahl hatte ein gaußförmiges Intensitätsprofil
(Grundmodus TEMoo) mit einem 1/e-Durchmesser 2b.- 4 mm.
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Die Ausgangsstrahlung des Lasers 1 wurde mit einer Linse 8 der Brennweite
f1 s 20 mm in den Fokus F1 fokussiert und hatte dort einen Fokus mit etwa 3/um 1/e-Durchmesser.
Der Spiegel 9 bestand aus einer aufgedampften' Spiegelschicht auf eine; ebenen Glas-bzw.
Quar2glasträger In dieser Spiegel schicht war im Mittelpunkt der Fläche ein Loch
von etwa 6/um Durchmesser ausgespart.
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Dieses wurde zweckmäßig durch den fokussierten Laserstrahl selbst
durch Verdampfen der Spiegel schicht im Fokus hergestellt. Diese Offnung ließ nahezu
die gesamte, im Laserstrahl enthaltende Leistung passieren. Nach Durchgang der Strahlung
durch diese Offnung
wurde der Fokus F1 von der Linse 10 in den
Fokus F2 abgebildet. Es war ein Abbildungsmaßstab von 1 : 1 gewählt. In diesem Fall
war der Öffnungswinkel des in die Lichtleitfaser eintretenden konvergenten Lichtes
etwa 0,1 und damit dem ikzeptanzwinkel der Faser 5 angepaßt.
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Das von einer Bruchstelle 6 in der Faser 5 rücklaufende Licht füllte
den Kerndurchmesser von 60/um an der Faserstirnfläche 11 völlig aus. Sofern das
in der Praxis nicht ohnehin stets gegeben ist, kann die völlige Ausleuchtung der
Faserstirnfläche 11 durch seitlichen Druck auf die Faser und damit verbundene Anregung
von Moden höherer Ordnung sehr leicht erreicht werden. Die Faserstirnfläche wurde
durch die Linse 10 im Maßstab 1 : 1 auf den Spiegel 9 abgebildet. Bei gleichmäßiger
Ausleuchtung wurde von dem auffallenden Licht durch den Spiegel 9 ein Anteil von
fl )2 Ss 99 % zum Photoempfänger 7 hin reflektiert. Nur etwa 1,' ging infolge Durchgangs
durch die im Spiegel angeordnete Offnung verloren.