DE2625720C3

DE2625720C3 - Verfahren zur Bestimmung der Kerndeformation von Monomode-Fasern

Info

Publication number: DE2625720C3
Application number: DE19762625720
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Phys. 7910 Neu-Ulm Eickhoff; Oskar Dr.-Ing. 7900 Ulm Krumpholz
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1976-06-09
Filing date: 1976-06-09
Publication date: 1978-11-30
Also published as: DE2625720A1; DE2625720B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Kerndeformation von Monomode-Fasern nach dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1.

Monomode-Fasern sind fadenförmige Lichtleiter, die aus einem Kernbereich und einem diesen konzentrisch umgebenden Mantelbereich bestehen und die als Übertragungsmedium für Lichtsignale in optischen Nachrichtenübertragungssystemen verwendet werden.

Der Durchmesser des Kernbereichs von Monomode-Lichtteitern beträgt wenige Lichtwellenlängen des übertragenen Lichts, während ihr Gesamtdurchmesser etwa bis zu 100 Mikrometer beträgt Kern- und Mantelbereich solcher Fasern unterscheiden sich geringfügig in ihrem Brechungsindex.

Für den vorgenannten Zweck verwendbare Lichtleitfasern müssen von hervorragender optischer Qualität sein. Angestrebt werden geringe Dämpfungs- und Dispersionswerte. Neben im Fasermaterial enthaltenen Verunreinigungen tragen auch Deformationen der Fasergeometrie zu einer Verschlechterung der Faserqualität bei. Solche Deformationen der Ffcser können beispielsweise als Abweichungen von der Zylindersymmetrie in Erscheinung treten. Bei der Herstellung der Fasern kommt es besonders häufig vor, daß zumindest streckenweise der Kernbereich der Faser keinen idealen kreissymmetrischen Querschnitt, sondern vielmehr einen elliptischen Querschnitt aufweist

Soll beispielsweise bei einer Lichtleitfaser, die zwischen Kern- und Mantelbereich einen Brechungsindexunterschied von etwa 0,7% zeigt, über eine Übertragungslänge von etwa 10 km eine unter einer halben Nanosekunde liegende maximale Laufzeitverzerrung zugelassen werden, dann darf die relative Durchmesserabweichung des Kernbereichs, d. h. der

Wert des Quotienten -^r, mit d als Kerndurchmesser α

der Faser, maximal 6% betragen.

Die Kenntnis der aufgrund von Deformationen zu erwartenden maximalen Laufzeitverzerrungen ist daher von großer Bedeutung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung der Kerndeformation von Monomode-Fasern anzugeben, das zerstörungsfrei und kontinuierlich durchführbar, d.h. auch bei größeren Faserlängen anwendbar ist. Ausgehend von einem Verfahren zur Bestimmung der Kerndeformation von Monomode-Fasern nach dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1 wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil dieses Anspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen enthaltenen Merkmalen.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Meßanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

F i g. 2 die Intensität der vom Kernbereich der Faser ausgehenden Streustrahlung als Funktion einer charakteristischen Länge,

Fig. 3 in einem Diagramm den Verlauf einer bestimmte Eigenschaften einer Lichtleitfaser wiedergebenden Kurve.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei Einkopplung zirkulär polarisierten Lichts in eine Monomode-Faser bei Vorhandensein von Kerndeformationen sich der Polarisationszustand des Lichts in Abhängigkeit von der Faserlänge ändern wird. Dies beruht auf unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten unterschiedlich polarisierter Komponenten des Lichts für den Fall, daß beispielsweise der Kern der Faser eine von der Zylindersymmetrie abweichende Gestalt aufweist Nach einer bestimmten charakteristischen Länge des Lichtausbreitungsweges in der Faser liegt dann das ursprünglich im zirkulär polarisierten Zustand eingekoppeke Licht linear polarisiert vor. Die Faser wirkt gleichsam als doppelbrechendes Medium. Der jeweilige Polarisationszustand des Lichts in Abhängigkeit von dem in der Faser zurückgelegten Weg könnte nun an jedem beliebigen Punkt der Faser auf einfache Weise dadurch ermittelt werden, daß die Faser an der betreffenden Stelle durchtreri.it und das an dieser Trennungsstelle austretende Licht analysiert würde. Es könnte natürlich auch eine direkte Messung der Durchmesser vorgenommen werden.

Ein solches Verfahren hat jedoch zwangsläufig die Zerstörung der Faser zur Folge.

Das erfindungsgemäße Verfahren soll dagegen eine Feststellung des jeweiligen Polarisationszustandes ohne Zerstörung der Faser ermöglichen. Das Verfahren macht sich die Tatsache zunutze, daß das von der Faser, genauer gesagt von ihrem Kernbereich, gestreute Licht eindeutige Rückschlüsse auf den jeweiligen Polarisationszustand zuläßt Unter der Voraussetzung, daß ein stattfindender Streuvorgang im Faserinneren nicht mit einer Änderung des Polarisationszustands verbunden ist, wird die feststellbare Streulichtverteilung nur dann völlig symmetrisch zur Faserlängsachse verlaufen, wenn das Licht in einer zugehörigen Querschnittsebene der Faser, die senkrecht auf der Faserlängsachse steht, zirkulär polarisiert ist. Für den Fall, daß das zunächst zirkulär polarisierte Licht beispielsweise durch vorhandene Deformationen des Faserkerns in seinem Polarisationscharakter geändert worden ist, wird eine davon abweichende Streulichtverteilung vorherrschen. Stammt das aus der Faser austretende Streulicht beispielsweise von einer linear polarisierten Lichtwelle, wird die Streulichtamplitude ein Minimum in Richtung des Vektors des elektrischen Feldes annehmen und ein Maximum in einer dazu senkrecht stehenden Richtung. Bei vorhandenen elliptischen Deformationen des Faserkerns wird daher die Streulichtintensität in den die Ellipsenachsen enthaltenden Ebenen entlang der Länge der Faser einem periodischen Wechsel unterliegen. Intensitätsmaxima und -minima sind durch eine

charakteristische Länge -=- voneinander getrennt. In

zwischen den Ellipsenachsen liegenden Richtungen ist diese ortsabhängige Intensitätsänderung weniger ausgeprägt.

F i g. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine vorteilhafte Meßanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Von einer Lichtquelle stammende Strahlung wird mittels eines Mikroskopobjektivs 13 zum Zwecke der Einkopplung in eine Lichtleitfaser 14 auf eine ihrer Stirnflächen fokussiert. Als Lichtquelle, die in der Figur mit 10 bezeichnet ist, wird zweckmäßig ein Laser, beispielsweise ein Kryptonionenlaser, verwendet. Um die Auswertung des von der Faser ausgesandten Streulichts zu erleichtern, wird die vom Laser 10 ausgesandte Strahlung durch eine im Strahlengang angeordnete Zerhackervorrichtung 11 periodisch unterbrochen. Durch eine ebenfalls im Strahlengang vor dem Mikroskopobjektiv 13 angeordnete Visrtelwellenlängenplatte 12 wird die vom Laser 10 ausgesandte Strahlung zirkulär polarisiert Das der Einkoppelfläche abgewandte Endstück der Lichtleitfaser 14 ist in einen Immersionsöl enthaltenden Behälter 15 eingetaucht, um den Meßvorgang störende Reflexionen der eingekoppelten Strahlung an der weiteren

ίο Stirnfläche der Lichtleitfaser 14 zu verhindern. Vor dem Meßvorgang durchläuft die Faser 14 einen weiteren Behälter 16 mit Immersionsöl zum Zwecke der Unterdrückung derjenigen Strahlungsanteile, die von sich im Mantelbereich der Lichtleitfaser 14 ausbreitenden Moden ausgehen. Während des Meßvorgangs durchläuft die Lichtleitfaser 14 zwei mit geringem Abstand angeordnete Kapillarrohre 17, die strahlungsundurchlässig ausgebildet sind. Die Bewegung der Lichtleitfaser 14 wird durch einen mit 18 bezeichneten Elektromotor in Verbindung mit weiteren Mitteln bewerkstelligt die in der F i g. 1 lediglich andeutungsweise dargestellt sind. Wie bereits erwähnt sind die beiden strahlungsundurchlässigen Kapillarrohre 17, die benachbarte Abschnitte der Lichtleitfaser 14 koaxial umfassen, mit geringem Abstand voneinander angeordnet Von den Kapillarrohren 17 begrenzt ist ein Teilstück 19 der Lichtleitfaser 14 für Meßzwecke zugänglich. Die von diesem Teilstück 19 der Lichtleitfaser 14 ausgehende Streustrahlung wird von einem fotoelektrischen Wandler 20 erfaßt der um 360° drehbar im Bereich des von den Kapillarrohren 17 gebildeten Ringspalts angeordnet ist. Das von dem Wandler 20 abgegebene Ausgangssignal wird in einem Lock-In-Verstärker 21 aufbereitet und auf einem Schreiber 22 aufgezeichnet. Die Messung wird in der Weise durchgeführt, daß der fotoelektrische Wandler jeweils in einem Winkelbereich von 360° die von dem Teilstück 19 der Lichtleitfaser 14 ausgehende Streustrahlung erfaßt während die Faser langsam durch die Kapillarrohre 17 hindurchgezogen wird.

Die vom Schreiber 22 aufgezeichnete Intensitätskurve des Streulichts läßt Rückschlüsse auf den im Faserkern vorliegenden Polarisationszustand der Lichtwelle zu. Im Falle zirkulär polarisierten Lichts ist das vom fotoelektrischen Wandler 20 abgegebene Ausgangssignal unabhängig von seiner Winkelstellung. Bei linear polarisiertem Licht dagegen treten bei jeder vollen Umdrehung des fotoelektrischen Wandlers 20 zwei Maxima und zwei Minima in seinem Ausgangssignal entsprechend der von der Lichtleitfaser abgegebenen Streulichtverteilung auf. Wenn die Rotation des Wandlers 20 um das durch die Kapillarrohre 17 begrenzte Faserstück 19 schnell genug isl im Vergleich zu der Änderung des Polarisationszustandes, der infolge der Längsbewegung der Lichtleitfaser 14 durch die Kapillarrohre 17 zur Auswirkung gelangt, wird eine Kurve der in F i g. 2 dargestellten Art aufgezeichnet

Als charakteristische Länge D definiert man den doppelten Wert der Periodenlänge der Einhüllenden des in dieser Figur dargestellten Kurvenverlaufs.

In einem derartigen Diagramm hängt die Modulationstiefe ab von der Breite des von den Kapillarrohren 17 begrenzten Ringschlitzes, von der Länge D und weiterhin von dem Aufnahmewinkel des fotoelektri-

h■> sehen Wandlers 20.

In einem Ausführungsbeispiel einer Meßanordnung betrug die von den Kapillarrohren 17 begrenzte Schlitzweite 3 mm. der Aufnahmewinkel des fotoelek-

trischen Wandlers 20 wurde zu etwa 50° ermittelt. Die vom Laser 10 ausgesandte Strahlung wurde mit einer Frequenz von 750 Hz zerhackt; die Zeitkonstante des Verstärkers 21 betrug 30 msec. Zur Abtastung der Streustrahlungsverteilung rotierte der lichtelektrische Wandler 20 mit einer Umdrehung pro Sekunde um die Faser, während diese mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,8 mm pro Sekunde durch die Kapillarrohre 17 hindurchbewegl wurde. Bei der ausgemessenen Lichtleitfaser ergab sich eine charakteristische Länge D von etwa 9,6 mm.

Bei Kenntnis dieser charakteristischen Länge D ist es dann verhältnismäßig einfach, unter Zuhilfenahme bekannter Beziehungen die Laufzeitverzerrungen der betreffenden Lichtleitfasern zu ermitteln und damit ihre Eignung als Übertragungsmedium in einer optischen Nachrichtenübertragungsstrecke abzuschätzen.

Für die bei Ausbreitung in einem Lichtleiter auftretende Laufzeitverzögerung zwischen den Komponenten einer linear polarisierten Lichtwelle gilt die Beziehung

(D

Andererseits ist der Zusammenhang zwischen der Laufzeitverzögerung Δβ und der relativen Durchmesserabweichung des Kernbereichs -^- bei einem Lichtleiter bekannt:

beispielsweise aus der Literaturstelle »The Bell Systen Technical Journal« Vol. 51, No. 2 (Feb. 1972), S.487 -49; bekannt ist.

Die charakteristische Frequenz ν ist dabei definier als

J .

κι Mit den Formeln (1) und (2) läßt sich nach Messung der Länge D die relative Kerndurchmesserabweichung

^—r- ermitteln. Bei dem zuvor behandelten Beispie

Ad
ergab sich dafür ein Wert von —~ = 0,15,

Zwischen dem Laufzeitunterschied Ax der Polarisationskomponenten und der Länge D besteht folgende bekannte Beziehung:

_ /. L dv ^{T =} c D ~

Der Verlauf der Funktion

d dv

" d ist in F i g. 3 dargestellt.

Weiterhin bedeuten in Formel (5)

In dieser Formel ist A_n eine Abkürzung für eine r,

Beziehung zwischen den Brechungsindizes des Kern- λ = Lichtwellenlänge, und Mantelbereichs n_c bzw. η L = Länge des Lichtleiters.

ii, — η η

(3)

Nach Messung von D läßt sich somit auch Δτ j» bestimmen.

Bei dem zuvor behandelten Beispiel ergab sich für die Ψ (ν) ist eine normierte, von der sogenannten Laufzeitverzögerung ein Wert von Δτ= 1,34 nsec nach charakteristischen Frequenz ν abhängige Funktion, die 10 km Faserlänge.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bestimmung der Kerndeformation von Monomode-Fasern mit einer Lichtquelle, s mit Mitteln zur Einkopplung der von der Lichtquelle ausgesandten Strahlung in die Faser sowie Mitteln zur Erfassung der von der Faser abgestrahlten Streustrahlung, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Strahlungsquelle (10) ausgesandte Strahlung zirkulär polarisiert wird, daß diese Strahlung in die Stirnfläche der Monomode-Faser (14) eingekoppelt wird, daß stückweise die gesamte Faserlänge erfassend ein die Mantelfläche der in Faserrichtung bewegten Faser abtastender und dabei die von dieser ausgehenden Streustrahlung aufnehmender fotoelektrischer Wandler (20) in senkrecht zur Längsachse der Faser (14) Hegenden Ebenen auf einem Kreisbogen um diese Faser herumgeführt wird und daß der bei der entstehenden ?<> Relativbewegung zwischen der Faser (14) und dem fotoelektrischen Wandler (20) auftretende Abstand γ) zwischen den Intensitätsmaxima und -minima des Streulichts als Maß für die relative Durchmesserabweichung (—r) des Kernbereichs der Faser ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Meßvorgangs die der m Lichteinkopplungsfläche abgewandte Endfläche der Lichtleitfaser (14) zum Zwecke der Reflexionsunterdrückung mit Immersionsöl benetzt wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des fotoelektrischen Wandlers (20) nach Verstärkung in einem Verstärker (21) auf einem Schreiber (22) graphisch dargestellt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 b>s 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung der Laserstrahlungsquelle (10) vor Einkopplung in die Monomode-Faser (14) periodisch zerhackt wird und daß die Verstärkercharakteristik des die Ausgangssignale des fotoelektrischen Wandlers (20) verstärkenden Verstärkers (21) auf die Zerhackerfrequenz abgestimmt ist

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Monomode-Faser (14) bis auf ein kurzes Reststück (19) strahlungsdicht abgedeckt wird und daß der fotoelektrische Wandler ^r>o (20) im Bereich dieses Reststücks (19) der Monomode-Faser auf einem Kreisbogen derart um dieses herumgeführt wird, daß er lediglich das von diesem Stück (19) der Monomode-Faser ausgehende Streulicht aufnimmt

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Monomode-Faser (14) von zwei benachbarten Kepillarrohren (17) abgedeckt wird, die jeweils die Monomode-Faser (14) koaxial umfassen und die in geringem Abstand voneinander <>o derart angeordnet sind, daß sie lediglich in einem schmalen Ringspalt den Zugang zu einem nicht strahlungsdicht abgedeckten Bereich (19) freigeben.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Streustrah- fe5 lungsverteilung der Monomode-Faser (14) der fotoelektrische Wandler (20) mit konstanter Winkelgeschwindigkeit urn die Faser (Ϊ4) rotiert, während diese mit konstanter Geschwindigkeit durch die Kapillarrohranordnung (17) hindurchbewegt wird.