-
Beschreibung
-
Die Erfindung betrifft ein optisches Messystem und insbesondere ein
Messystem mit einem Halbleiterlaser, um ein optisches Übertragungsmedium, beispielsweise
eine optische Faser, zu untersuchen bzw. zu messen.
-
Auf Grund der grossen Fortschritte bei den Herstellungsverfahren und
den optischen Elementen, beispielsweise von Halbleiterlasern, lichtemittierenden
Dioden, usw., gibt es heutzutage optische fiessysteme, bei denen optische Fasern
als Übertragungsleitung verwendet werden.
-
Bei solchen Systemen ist es für die Wartung und Überwachung eines
optischen Systems, bei dem eine optische Faser verwendet wird, wichtig, die Faserlänge
oder die Stelle, an der die optische Faser gebrochen ist, messen zu können.
-
Bei einem herkömmlichen optischen Messystem, mit dem die Stelle, an
der eine optische Faser gebrochen ist, gemessen werden kann, wird ein optischer
Impuls verwendet, um den Ort der Bruchstelle durch Reflexion zu ermitteln.
-
Oder genauer ausgedrückt, wird mit dem herkömmlichen optischen Messystem
die Bruchstelle dadurch festgestellt, dass die Impuls-Verzögerungszeit gemessen
wird. Die Impuls-Verzögerungs zeit stellt den Zeitraum dar, während dem ein optischer
Impuls, der auf die Eingangsfläche der optischen Faser auffallen gelassen wird,
sich in der optischen Faser fortpflanzt, an der Bruchstelle reflektiert wird und
zur Eingangsfläche der optischen Faser zurückkehrt. Dabei wird die nachfolgend angegebene
Gleichung benutzt: OT = 2n
Hierbei ist C die Lichtgeschwindigkeit,
T die Verzögerungszeit, n der Brechungsindex des Materials, aus dem die optische
Faser besteht, und L die Länge zwischen der Eingangsfläche und der Bruchstelle.
-
Ein derartiges herkömmliches optisches Messystem weist jedoch insofern
Nachteile auf, als dieses System ein Gerät, welches optische Impulse mit sehr kleiner
Impulsbreite erzeugt, einen Verstärker mit einem breiten Frequenzband und eine Einrichtung
erfordert, mit der der Verzögerungszeitraum genau gemessen werden kann.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein optisches Messystem,
mit dem eine optische Faser untersucht, und beispielsweise der Ort eines Bruchs
in der optischen Faser festgestellt werden kann, zu schaffen, bei dem einfache und
billige Einrichtungen, bei denen keine optischen Impulse verwendet werden, und ein
Verstärker mit grosser Frequenzbandbreite verwendet werden kann.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch das in Anspruch 1 angegebene
optische Messystem gelöst.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
-
Bei dem erfindungsgemässen optischen Messystem wird eine besondere
Eigenschaft eines Halbleiterlasers ausgenutzt, nämlich die, dass der optische Strahl,
der von dem mit einer Gleichstromquelle betriebenen Halbleiterlaser abgegeben wird,
durch einen reflektierten Lichtstrahl moduliert wird. Oder genauer ausgedrückt,
wird der von einem Halbleiterlaser abgegebene Lichtstrahl moduliert, wenn der im
optischen Übertragungsmedium bzw. optisch durchlässigen Medium reflektierte Strahl
zurückkommt und in den Halbleiterlaser gelangt. Dieser modulierte Laserstrahl weist
dabei eine Grundmodulationsfrequenz-Eomponente f auf, die
folgender
Gleichung genügt: C 2nL Hierbei ist C die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, n der
Brechungsindex des optischen Übertragungsmedium und L der Abstand zwischen dem Laser
und der Reflexionsstelle im optischen Ubertragungsmedium. Der vom Halbleiterlaser
abgegebene Strahl hat daher im Frequenzspektrum bei den Frequenzen Maxima bzw. Spitzen,
die ein ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz f sind.
-
Die entsprechenden Spektren können nicht nur aus dem optischen, vom
Halbleiterlaser abgegebenen Ausgangsstrahl, sondern auch aus dem Strom ermittelt
werden, mit dem der Halbleiterlaser betrieben wird.
-
Dieses besondere Phänomen liegt bei lichtemittierenden Dioden nicht
vor, die als lichtemittierende Elemente an sich sonst demHalbleiterlaser ähnlich
sind.
-
Das erfindungsgemässe optische Messystem ist also derart ausgebildet,
dass die Information über dem Reflexionspunkt in einem optischen Übertragungsmedium,
beispielsweise von optischen Fasern, durch Messung der Grundfrequenz erhalten werden
kann.
-
Das erfindungsgemässe optische Messystem besteht aus einem Halbleiterlaser,
einer Konstantstromquelle, mit der der Halbleiterlaser betrieben wird, optischen
Verbindungseinrichtungen, die den vom Halbleiterlaser abgegebenen Lichtstrahl auf
ein optisches, zu messendes Übertragungsmedium fallenlassen und den reflektierten
Strahl vom optischen Ubertragungsmedium in den Halbleiterlaser führen, sowie Einrichtungen,
die die Frequenz des vom Halbleiterlaser abgegebenen optischen Strahls feststellen.
-
Bei dem erfindungsgemässen optischen Messystem ist kein Impulsmodulator
erforderlich. Darüberhinaus können Verstärker mit grosser Frequenzbandbreite verwendet
werden, so dass das System mit bekannten einfachen Elementen aufgebaut und kostengünstig
hergestellt werden kann. Darüberhinaus kann die Frequenzmessung wesentlich genauer
als bei der Impulsintervallmessung durchgeführt werden.
-
Um Informationen, beispielsweise über die Bruchstelle in optischen
Fasern zu erhalten, wird bei der vorliegenden Erfindung die spezielle Eigenschaft
eines Halbleiterlasers ausgenützt, nämlich die, dass der Lichtstrahl des Lasers
durch die im Ubertragungsmedium reflektierte Lichtquelle moduliert wird, und dass
die modulierte Frequenz eine feste Beziehung zum Reflexionspunkt besitzt. Das erfindungsgemässe
optische Messystem besteht aus einem Halbleiterlaser, einem optischen tjbertragungsmedium,
Verbindungseinrichtungen, die den Laser mit dem optischen Übertragungsmedium optisch
verbinden und einen Frequenzanalysator, der die modulierte Frequenz detektiert.
-
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beispielsweise
näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 das Blockschaltbild einer Ausführungsform des
erfindungsgemässen optischen Messystems, Fig. 2 ein Frequenzspektrum des vom Halbleiterlaser
abgegebenen Strahls, der mit dem reflektierten Strahl moduliert ist, Fig. 3 Messergebnisse,
die mit der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform erhalten wurden, Fig. 4 das
Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemässen optischen
Messystems, Fig.5A und 5B Messfühler, die bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform
verwendet werden, Fig. 6 und 7 Blockschaltbilder weiterer Ausführungsformen
des
erfindungsgemässen optischen Messystems.
-
Fig. 1 zeigt in einem Blockschaltbild die Anordnung einer Ausführungsform
des erfindungsgemässen optischen Messystems, das zur Feststellung des Ortes verwendet
wird, an dem eine optische Faser gebrochen ist.
-
Ein Halbleiterlaser 2 wird mit einer Konstant-Gleichstromquelle 3
betrieben. Der Laserstrahl 2-1 des Lasers fällt auf die Eingangsfläche einer zu
messenden optischen Faser 1 und der Laserstrahl 2-2 des Lasers fällt über einen
Wellenleiter 7 mit Linsen und einem Dämpfungsglied auf einen Photodetektor 4 auf.
Der auf die Faser 1 aufbrechende optische Strahl pflanzt sich in der Faser fort,
und ein Teil des Strahls wird nach rechts emittiert, und der andere Teil des Strahls
wird an der Bruchstelle B oder an der Austrittsfläche reflektiert und gelangt zur
Eingangsfläche der Faser in Form einer reflektierten Welle zurück.
-
Ein Teil der reflektierten Welle, die aus der Eingangsfläche der Faser
austritt, trifft auf die aktive Schicht des Halbleiterlasers 2 auf. Der andere Teil
der reflektierten Welle wird an der Eingangsfläche der Faser reflektiert und pflanzt
sich wieder nach rechts fort. Diese Vorgänge wiederholen such.
-
Bei dem zuvor beschriebenen Phänomen wird der vom Halbleiterlaser
abgegebene Strahl durch den reflektierten Strahl, der auf die aktive Schicht des
Lasers fällt, beeinflusst, oder anders ausgedrückt, der Laserstrahl wird durch den
reflektierten Strahl moduliert.
-
Das Spektrum des vom Halbleiterlaser abgegebenen Strahls weist Spitzen
bei Frequenzen auf, die ein ganzzahliges Vielfaches einer Frequenz f sind (vgl.
Fig. 2).
-
Es gilt folgende Gleichung: c 2nL
Hierbei ist f die
Frequenz, L die Länge zwischen der Eingangsfläche der optischen Faser und der Bruchstelle
in der Faser, C die Lichtgeschwindigkeit und n der Brechungsindex des Faserkerns.-Der
Photo detektor 4 setzt einen auffallenden Strahl 2-2 in ein elektrisches Signal
um. Da dieses elektrische Signal die natürlichen Spektrum-Komponenten wie in Fig.
2 aufweist, wird es über einen Verstärker 8 einem Brequenzselektionsverstärker 5
zugeleitet. Der Verstärker 5 stellt die Grundfrequenz f des Eingangssignals fest
und berechnet die Länge L zwischen der Eingangsfläche der Faser 1 und der Bruchstelle
in der Faser.
-
Der Frequenzselektionsverstärker 5 ist an sich bekannt.
-
Er umfasst einen variablen Frequenzoszillator, eine Mischstufe, die
das Ausgangssignal des Oszillators mit dem zu messenden Eingangssignal mischt und
ein Signal mit einer Differenzfrequenz zwischen den beiden Signalen erzeugt, sowie
einen schmalbandigen Verstärker, der aus dem Signal, das die Differenzfrequenz aufweist,
ein Ausgangssignal erzeugt.
-
Der Frequenzselektionsverstärker 5 kann durch einen Spektrumanalysator
ersetzt werden, der als Anordnung zur Ermittlung des Spektrums eines Signals an
sich bekannt ist. Wenn die Frequenz skala des Frequenz selektion sverstärkers oder
des Spektrum-Analysators durch eine Längenskala ersetzt wird, kann die zu messende
Länge direkt abgelesen werden.
-
Das Eingangssignal des Verstärkers 5 kann auch aus dem Versorgungs-Vorstrom
fiir den Halbleiterlaser 2 erhalten werden, wie dies im weiteren noch beschrieben
werden wird.
-
Fig. 3 zeigt eine mit dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel
durchgeführte Messung und den Zusammenhang zwischen der Grundfrequenz des Halbleiterlasers
und der zu messenden Faserlänge.
-
In Fig. 3 ist auf der Abszisse die -Faserlänge in logarithmischem
Masstab und auf der Ordinate die Grundfrequenz in logarithmischem Masstab aufgetragen.
Aus den in Fig. 3 eingezeichneten Messergebnissen ist zu ersehen, dass die Länge
einer optischen Faser oder die Lage einer Bruchstelle in einer optischen Faser in
einem Längenbereich von einigen Zentimetern bis mehreren Kilometern mit dem erfindungsgemässen,
optischen Messystem genau gemessen werden kann.
-
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die-durch
den reflektierten Strahl beeinflusste, modulierte Frequenz mit einer Photodiode
4 detektiert. Die modulierte Frequenz kann å jedoch auch mittels des zum Betreiben
des Halbleiterlasers erforderlichen Stromes detektiert werden.
-
Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform des
erfindungsgemässen optischen Messystems. Bei dieser Ausführungsform wurden für die
gleichen Blöcke dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet.
-
Bei dieser Ausführungsform ist ein Strommessfühler 6 vorgesehen, der
die Frequenzkomponenten oder den Wechselstrom, der einem Vorstrom überlagert ist,
feststellt.
-
Der Strommessfühler 6 ist in der in Fig. 5A dargestellten Weise ausgebildet.
Der Fühler besteht aus einer um einen kleinen magnetischen Kern 11 gewickelten Spule
10. Eine Anschlussleitung 12 läuft durch den Magnetkern 11 und führt den Vorstrom
für den Halbleiterlaser. Das heisst, der Strommessfühler 6 ist sozusagen ein Transformator.
Der Strommessfühler kann jedoch auch lediglich ein Widerstand 13 sein, wie dies
in Fig. 5B dargestellt ist. Die modulierte Frequenz kann durch Messen der Anschlusspannung
am Widerstand 13 ermittelt werden.
-
Fig. 6 zeigt das Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform des
erfindungsgemässen optischen Messystems. Bei dieser
Ausführungsform
trifft ein optischer Strahl 2-1 nach Durchgang durch eine Kollimatorlinse 14 auf
ein zu messendes Hindernis 17 auf. Ein Teil des reflektierten optischen Strahls
gelangt vom Hindernis 17 durch die Linse 14, einen halbdurchlässigen Spiegel 16,
eine Linse 15 auf einen Photodetektor 4. Diese Ausführungsform ist bei einem IIindernis.-bzw.
Zielfeststellsystem verwendbar.
-
Fig. 7 zeigt das Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform des
optischen Messystems. Bei dieser Ausführungsform wird ein Laserausgangssignal über
mehrere Wellenleiter 11, 12 und 13 zu mehreren Reflektoren 18-1, 18-2 und 18-3 geführt.
-
Die Längen der Wellenleiter sind voneinander verschieden.
-
Daher wird der Halbleiterlaser durch die unterschiedlich reflektierten
Wellen moduliert, und es werden unterschiedliche Frequenzen der Grundfrequenzen
im optischen Ausgangsstrahl des Halbleiterlasers erzeugt. Das optische Ausgangssignal
wird mit der Photodiode in ein elektrisches Signal umgesetzt, das dann über mehrere
Bankpaßfilter 20-1, 20-2 und 20-3 zu Detektoren 19-1, 19-2 und 19-3 gelangt.
-
Diese zuletzt beschriebene Ausführungsform kann daher vorteilhaft
bei Messystemen verwendet werden, die die Zustände mehrerer Lagen, die binäre Zustände
einnehmen können, messen.
-
Wie im Zusammenhang mit den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen
erläutert, beruht die vorliegende Erfindung auf den besonderen Eigenschaften eines
llalbleiterlasers, und die Erfindung kann bei zahlreichen optischen Messystemen
angewandt werden Die vorliegende Erfindung ist daher nicht auf die zuvor beschriebenen
Ausführungsbeispiele beschränkt.
-
Leerseite