DE2835491B2

DE2835491B2 -

Info

Publication number: DE2835491B2
Application number: DE19782835491
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl.-Phys. 7251 Hemmingen Kaiser
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1978-08-12
Filing date: 1978-08-12
Publication date: 1980-10-23
Also published as: DE2835491A1; CH643655A5; DE2835491C3; AU4958979A

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung nach dem

ι ο Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Anordnung ist bekannt aus dem Aufsatz von S. D. Personick: »Photon Probe-An Optical-Fiber Time-Domain Reflectomster«, in Bell Systems Technical Journal, März, 1977, S. 355—366. Sie dient dazu. Fehlerstellen in Lichtleiterfasern durch eine Messung der Laufzeit des Lichts vom Faseranfang bis zur Fehlerstelle, an der es reflektiert wird, und zurück zum Faseranfang festzustellen. Außerdem läßt sich damit die Dämpfungsverteilung auf der Faserstrecke abschätzen.

Aus »Applied Optics« 16, 1977, S. 2375—2379 ist eine Meßanordnung für Lichtleitfasern bekannt die zur Einkopplung des Lichts an einer Stelle der Faser eine Verengung aufweist Aus »Applied Optics« 14, 1975,

S. 946—949 ist eine Meßanordnung für Lichtwellenleiter bekannt bei der das Licht am einen Ende des Lichtwellenleiters mittels eines Einkopplungsprismas eingekoppelt und am anderen Ende mittels eines Auskopplungsprismas ausgekoppelt wird.

M) Die erstgenannte bekannte Anordnung weist als Strahlenteiler zur Trennung des in der Lichtleitfaser reflektierten Lichts vom in die Lichtleitfaser eingestrahlten Licht einen teildurchlässigen Spiegel auf. Ein solcher Strahlenteiler verursacht zwangsläufig Strah lungsverluste, so daß ein gewisser Anteil des von dem Lichtsender erzeugten Lichts für die Messung verlorengeht

Außerdem hat diese Anordnung den wesentlichen Nachteil, daß bereits am Fasereingang ein beträchtli eher Anieil des vom Lichtsender kommenden Lichts auf den Lichtempfänger reflektiert wird und diesen und die nachgeschaltete elektronische Auswerteeinrichtung für eine Zeitlang unempfindlich gegen weitere Empfangssignale macht.

Zur Lösung dieses speziellen Problems der Vermeidung von Eingangsreflexionen an der eingangsseitigen Endfläche einer Lichtleitfaser weist eine aus der DE-PS 18 07 247 bekannte optische Meßanordnung das Merkmal auf, daß die Stirnfläche des Endes einer Lichtleitfaso ser unter einem bestimmten Winkel zur Faserachse angeschliffen ist. Diese Meßanordnung dient jedoch nicht wie die bisher genannten zur Messung von Fasereigenschaften, sondern zur Messung von Drehgeschwindigkeiten unter Verwendung einer Lichtleiter- spule. Das von der Lichtquelle ausgestrahlte Licht wird mittels eines Strahlenteilers in beide Spulenenden eingekoppelt, und das aus den beiden Spulenenden austretende Licht gelangt über den Strahlenteiler auf den Lichtempfänger. Der Strahlenteiler ist vie bei der eingangs genannten Anordnung ein teildurchlässiger Spiegel.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Meßanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die hinsichtlich ihres Sti ahlenteilers verbessert ist.

Die Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weiterbildungen sind den Unteranspriichen entnehmbar.

Mit der Erfindung ist eine vielseitig verwendbare Meßanordnung geschaffen, die ohne Umrüstung für unterschiedliche Meßaufgaben verwendbar ist Die Faserdämpfung kann in Transmission, Reflexion oder über Rückstreuung gemessen werden, die Obertragungsbandbreite bzw. die Dispersion in Transmission oder Reflexion und die Fehlerortung und Faserlänge in Reflexion.

Daher können Ergebnisse, die nach verschiedenen Meßverfahren erzielt wurden, ohne Schwierigkeiten miteinander verglichen werden, so daß die Faseretgenschaften genauer und reproduzierbarer meßbar sind.

Die Erfindung wird nun anband der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

F i g. I den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Meßanordnung, und

F i g. 2 eine Ausfühningsform des in F i g. 1 symbolhaft dargestellten Strahlenteilers.

Die Meßanordnung nach F i g. 1 enthält einen Generator 1, der elektrische Signale, beispielsweise Impulse, erzeugt, und einen Lichtsender 2, der die elektrischen Signale in Lichtsignale umwandelt Das vom Lichtsender 2 ausgesendete Licht wird mittels einer Sende-Fokussiereinrichtung 3 auf einen symbolhaft dargestellten Strahlenteiler 4 fokussiert und dort in ein Meß- und ein Referenzsignal aufgespalten. Das Meßsignal wird vom Strahlenteiler 4 aus über eine Vorlauf-Lichtleitfaser 5 und eine Faserkoppeleinrichtung 6 in die zu messende Lichtleitfaser 7 eingekoppelt.

Das optische Referenzsignal, das ein Maß für die in die Faser eingekoppelte Lichtleistung ist, gelangt über eine Fokussiereinrichtung 8 auf einen Referenz-Lichtempfänger 9, dessen elektrisches Ausgangssignal bei der Auswertung des Meßsignals mitverwendet wird.

Beim Durchgang durch die zu messende Faser 7 wird ein Anteil des eingekoppelten Lichts rückgestreut bzw. an Faserinhomogenitäten reflektiert. Dieses rückgestreute bzw. reflektierte Licht gelangt über die Vorlauf-Lichtleitfaser 5 auf den Strahlenteiler 4, der nun die Funktion erfüllt, den Sende- und den Empfangsweg des Lichts voneinander zu trennen. Im gleichen Verhältnis, in dem sendcseitig Meß- und Referenzsignal aufgespalten wurden, wird hier ein Teil der aus der Faser zurückkommenden Lichtleistung über eine Empfangs-Fokussiereinrichtung 10 auf einen Lichtempfänger 11 gegeben, dessen elektrisches Ausgangssignal nun zur Meßwerterfassung zur Verfügung steht. Die Messung erfolgt in diesem Falle in Reflexion bzw. Rückstreuung. Dieses Meßsignal wird nun zusammen mit dem erwähnten Referenzsignal und einem Steuerstgnal vom Ausgang des Generators 1 einer für die jeweils gegebene Meßaufgabe geeigneten Aus*erteeinrichtung, beispielsweise einem Oszillographen, zugeführt.

Falls Übertragungseigenschaften der Lichticitfaser in Transmission gemessen werden sollen, wird der Lichtanteil, der nach Durchgang durch die Faser an ihrem entfernten Ende austritt, über eine weitere Fokussiereinrichtung 12 auf einen weiteren Lichtempfänger 13 gegeben, dessen elektrisches Ausgangssignal ebenfalls der Auswerteeinrichtung gemeinsam mit dem Steuersignal und dem Referenzsignal zugeführt wird.

In diesem Fall dient der Strahlenteiler 4 zur reflexionsarmen Einkopplung des Meßsignals in die zu messende Faser 7.

Im folgenden wird der symbolhaft angedeutete Strahlenteiler 4 anhand der Fig. 2 erläutert. Auf die Funktion der Vorlauf-Lichtleitfaser 5 wird später eingegangen.

Eine Lichtleitfaser 20, deren vorderes Ende abgemantelt ist, ist mit einem durchsichtigen Kleber 21, dessen Brechungsindex dem Fasermaterial angepaßt ist auf eine Platte 22 aus durchsichtigem Material, beispielsweise ein Glas- oder Quarzsubstrat aufgeklebt so daß das vordere Ende dieser Lichtleitfaser 20 parallel zur Ebene der Platte 22 liegt Zusammen mit der Platte 22 ist die Stirnfläche 23 der Lichtleitfaser 20 unter einem bestimmten Winkel φ schräg angeschlhfen und poliert

ίο Auf diese angeschliffene Stirnfläche 23 fokussiert nun die Sende-Fokussiereinrichtung 3 (Fig. 1) das vom Lichtsender 1 abgestrahlte Licht Die Sende-Apertur dieser Fokussiereinrichtung 3 ist zum Zwecke einer verlustarmen Einkopplung des gesendeten Lichtes in die Lichtleitfaser 20 an deren numerische Apertur anpaßbar Der Betrag des Anschliffwinkels ψ ergibt sich aus der Forderung, daß die Sende-Apertur der Sende-Fokussiereinrichtung 3 nach Brechung des vom Lichtsender 2 stammenden Lichts an der angeschliffenen Stirnfläche 23 ohne Lichtverlust in den Raumwinkelbereich innerhalb der Lichtleitfaser 20 übergehen soll, der derer numerischer Apertur An entspricht. Beispielsweise ist bei A_n = 0,2 ein Anschliffwinkei φ von 30° günstig für die volle Anregung aller Fasermoden. Es ergibt sich dann ein Strahlenteilerverhältnis von 1 :20, d. h. von der gesendeten Lichtleistung wird ein Anteil von 95% in die Faser 20 eingekoppelt und nur der Rest von 5% als Referenzsignal an der Stirnfläche 23 reflektiert.

Da das Lot auf die Stirnfläche 23 nicht parallel zur

so optischen Achse der Lichtleitfaser 20 verläuft, sondern unter dem Anschliffwinkel φ dagegen geneigt ist, wird das Licht vom Lichtsender 2 nicht parallel zum Lot eingekoppelt, sondern unter einem Winkel ψ, der sich gemäß dem Brechungsgesetz nach sin φ = η ■ sin φ

is ergibt, wobei η der Brechungsindex der Lichtleitfaser 20 ist (n: 1,46).

Das von der Lichtleitfaser 20 nach Rückstreuung oder Reflexion auf die Faserstirnfläche 23 treffende Licht wird, wie bereits erwähnt, im Teilungsverhältnis des Strahlenteilers (20:1) zum Lichtempfänger 11 hin reflektiert bzw. zum Lichtsender 10 hin gebrochen, so daß hier der entsprechende Anteil der zurückkommenden Lichtleistung im Lichtempfänger empfangen werden kann. Die Richtung, in die dieses Licht reflektiert wird (zum Lichtempfänger), unterscheidet sich deutlich von der Richtung, in die ein Anteil des direkt vom Lichtsender stammenden Lichts reflektiert wird (zum Referenzempfänger), so daß die Messungen mit Sicherheit nicht durch Eingangsreflexionen an der

^r)0 Faserstirnfläche 23 gestört werden.

Die Empfangs-Fokussiereinrichtung 10 ist so justiert, daß sie im aus der Lichtleitfaser 20 empfangenen Licht genau den Kern der Faserstirnfläche 23 formatfüllend auf die Detektorfläche des Lichtempfängers 11 abbildet.

Auf diese Weise wird unerwünschtes Streulicht vom Lichtempfänger 11 ferngehalten.

Zur Befestigung des Strahlenteilers nach Fig.2 innerhalb der gesamten Meßanordnung nach F i g. 1 enthält die Platte 22 nicht gezeigte Bohrungen zur

bo Aufnahme von Halteschrauben, mittels derer der Strahlenteiler auf einer geeigneten Haltekonstruktion bezüglich der Fokussiereinrichtungen 3, 8 und 10 justierbar befestigt ist.

Zu erläutern bleibt nun noch die Vorlauf-Lichtleitfa-

b5 ser 5 (F i g. 1). Diese ist einerseits über die Faserkoppelvorrichtung 6 mit der zu messenden Lichtleitfaser 7 und andererseits über eine Faserkoppelvorrichtung 13 mit dem einen Ende der Lichtleitfaser 20 verbunden, deren

anderes Ende, wie in Fi g. 2 gezeigt, schräg angeschliffen ist. Die Lichtleitfaser 20 ist nicht langer, als dies aus konstruktiven Gründen notwendig ist. also etwa 10 bis 20 cm.

Die Vorlauf-Lichtleitfaser 5 erfüllt mehrere Aufgaben: Sie dient dazu, einen vom Lichtsender 2 ausgesendeten Lichtimpuls bis zu seinem Eintreffen am Lichtempfänger 11 mindestens so lange zu verzögern, bis der Lichtempfänger nach der Erzeugung des elektrischen Impulses, von der er unvermeidbar beeinflußt wird, wieder in seinen Ruhezustand zurückgekehrt ist.

Außerdem soll auf der Lichtleitfaserstrecke zwischen dem Strahlenteiler 4 und der Faserkoppelvorrichtung 6 ein Gleichgewicht der Moden hergestellt werden. Das heißt, am Eingang der zu messenden Lichtleitfaser 7 sollen genau diejenigen Moden auftreten, die auf der ganzen Lichtleitfaser 7 bestehen bleiben. Anders ausgedrückt: Die Vorlauf-Lichtleitfaser 5 unterdrückt die Moden, die in der zu messenden Lichtleitfaser 7 nicht voll ausbreitungsfähig sind. Um diese Aufgabe zu erfüllen, muß die Vorlauf-Lichtleitfaser 5 eine Länge von mehreren hundert Metern haben und vom gleicher Fasertyp sein wie die zu messende Lichtleitfaser 7.

Falls die Meßanordnung nur für Messungen eine! einzigen Fasertyps ausgelegt sein soll, ist es möglicl , eine Vorlauf-Lichtleitfaser dieses Fasertyps an einen Ende wie die Lichtleitfaser 20 (Fig. 2) schräg anzu schleifen, anstatt sie über die Faserkoppelvorrichtun{ 13 an eine solche Lichtleitfaser 20 anzukoppeln. Anden ausgedrückt: Die schräg angeschliffene Lichtleitfaser^

in kann auch die Vorlauf-LichtleitfaserS selbst sein.

Die Faserkoppelvorrichtungen 6 und 13 sind Vorrich tungen, in die von zwei Seiten die zu koppelnder Faserenden eingespannt und gegenseitig beliebig in der drei Raumkooridnaten präzise verschoben werder

ι··, können, bis ihre optischen Achsen miteinander fluchten Der Abgleich dieser Koppelstellen auf maximal Transmission erfolgt durch Minimisierung des dor reflektierten Signals und durch eine Anpassung de Brechungsindexes mittels eines auf die Koppelstell· aufgebrachten Tropfens einer dazu geeigneten Flüssig keit.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Messen von Eigenschaften von Lichtleitfasern, bei der Licht von einem Lichtsender Ober einen Strahlenteiler in eine Vorlauf-Lichtleitfaser und von dort in die zu messende Lichtleitfaser eingekoppelt wird und bei der ein Teil des in der Vorlauf-Lichtleitfaser oder in der zu messenden Lichtleitfaser reflektierten oder rückgestreuten Lichts am Strahlenteiler von dem direkt vom Lichtsender kommenden Licht getrennt und auf einen Lichtempfänger abgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlenteiler (4, Fig. 1) eine eben und schräg angeschliffene freie Endfläche (23) einer Lichtleitfaser (20) dient, wobei die faserseitige Fläche die Funktion eines Spiegels zum Ausspiegeln des aus der Lichtleitfaser (20) kommenden Lichts zum Lichtempfänger (11) hin hat, di ß die Ebennormale mit der Lichtleitfaserachse einen Winkel (φ) bildet, der so gewählt ist, daß ein für Meßzwecke ausreichender Anteil des aus der Lichtleitfaser (20) kommenden Lichts aus dieser herausgespiegelt wird und daß ein möglichst großer Anteil des vom Lichtsender (2) auf die angeschliffene freie Endfläche (23) unter einem Winkel (ψ) auf treffenden Lichts in die Lichtleitfaser (20) gelangt

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser (20) mit der schräg angeschliffenen freien Endfläche (23) die Vorlauf-Lichtleitfaser (5) ist

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser (20) mit der schräg angeschliffenen freien Endfläche (23) ein Faserstück (4) ist dessen anderes Ende mittels einer Faserkoppelvorrichtung (13) an die Vorlauf-Lichtleitfaser (5) einkoppelbar ist

4. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Lichtempfänger (11) eine Empfangs-Fokussiereinrichtung (10) angeordnet ist, die den Kern der schräg angeschliffenen freien Endfläche (23) im aus der Lichtleitfaser (20) empfangenen Licht formatfüllend auf die lichtempfindliche Fläche des Lichtempfängers (11) abbildet

5. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche zur Messung von Eigenschaften von Lichtleitfasern in Transmission, dadurch gekennzeichnet daß am anderen Ende der zu messenden Lichtleitfaser (7) ein weiterer Lichtempfänger (12) vorgesehen ist, der das hindurchgegangene Licht empfängt

6. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende der Lichtleitfaser (20), dessen freie Endflächen (23) schräg angeschliffen ist, mit einem optisch transparenten Kleber (21) auf eine optisch transparente Platte (22) aufgeklebt und seine Endfläche (23) gemeinsam mit der Platte (22) unter dem bestimmten Winkel schräg angeschliffen ist (F i g. 2).

7. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der am Strahlenteiler (4) reflektierte Anteil des vom Lichtsender (2) stammende Lichts auf einen Referenzlichtempfänger (9) fokussiert wird, dessen Ausgangssignal als Maß für die eingekoppelte Lichtleistung bei der Auswertung des Meßsignals verwendbar ist.

8. Anordnung nach einem der vorstehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die Länge der Vorlauf-Lichtleitfaser (5) derart gewählt ist daß an ihrem Ende möglichst ein Modenglcichgewicht besteht