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Dispersionsmeßverfahren und -meßeinrichtung für Multi-
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modefasern Die Erfindung betrifft ein Dispersionsmeßverfahren, bei
dem mit mindestens zwei sich unterscheidenden Lichtimpulsen aus der Impulsverbreiterung
in der Faser zwischen ihrem Ausgang und Eingang eine Größe für den auf die Materialdispersion
entfallenden Anteil bestimmbar ist. Sie betrifft auch eine Dispersionsmeßeinrichtung
für Multimodefasern mit einem elektrischen Pulsgenerator, einer vom Pulsgenerator
angesteuerten Laser-Lichtquelle, einem Gitterspektrometer und einem optischen Linsensystem
vor dem Eingang der zu messenden Faser sowie einem optischen Linsensystem, einem
optoelektronischen Wandler, einem Breitbandverstärker und liner Auswerte- und Anzeigeeinrichtung
hinter dem Ausgang der Faser.
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In "Applied Optics Bd. 18. No. 13, 1. Juli 1979, S. 2223 bis 2228"
ist eine einfache und leicht anzupassende Me3-technik beschrieben für die Bestimmung
der Materialdispersion einer Gradientenfaser und weiterer Eigenschaftzn einer solchen
Faser auf analytischem Wege mit Hilfe der gemessenen Materialdispersien. Dabei wird
in einem breitn Wellenlängenbereich zwischen 0,5 /um bis 1,7 /um ein o?tischer Pulsradiator
für inkohärente Impulse im Nanosekundenbe-eich eingesetzt. Die Messung der Materialdispersion
beruht iabei auf folgendem Konzept: Monochromatisches Licht mit einer spektralen
Bandbreite von etwa 5 nm wird mit Hilfe eines Gitter-Monochromators ausgesiebt.
Das Licht mit einer zentralen Wellenlänge bei 0,75 /um wird als Impuls von 1,5 ns
Dauer und einer Folgefrequenz von 3 kHz in die zu messende Faser eingekoppelt.
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Die betreffenden Differenzen der Pulsverzögerung zwischen den Spitzen
der übertragenen Impulse werden gemessen.
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Ausgangsimpulse nach Ubertragung durch die Testfaser bei 5 unterschiedlichen
Wellenlängen zwischen 0,6 /um und 1,2 /um dienen dabei als Referenzzeitmarken. Die
zeitliche Verschiebung zwischen den Spitzen der übertragenen Impulse bei unterschiedlichen
Wellenlängen können aus einer Photografie abgelesen werden, die auch die Referenzzeitmarken
enthält. Die gemessenen Pulsverbreiterungen hängen von der Auflösung des Meßsystems
ab und betragen etwa 0,9 ns bei einer Pulsbreite von etwa 1,5 ns. Bei einer Gradientenfaser,
die zu den Testzeiten eingesetzt wurde, wurde eine Pulsspitzenverzögerung von etwa
0,2 ns festgestellt.
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In "Electronics Letters Bd. 14 Nr. 12, 8.6.1978, S. 367-369" ist eine
einfache Methode für die Messung der Materialdispersion in optischen Fasern beschrieben.
Hierbei wird eine zentrale Wellenlänge der Lichtquelle von mehr als 1 /um, d.h.
1,03 /um und eine spektrale Halbwertsbreite von 5 nm benutzt. Diese Methode eignet
sich für Fasern eines bereits verbesserten Qualitätsstandards, bei dem die Modendispersion
von Gradientenfasern verringert wurde und die gleiche Größenordnung wie die Materialdispersion
aufweist.
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In optischen Nachrichtensystemen mit Glasfasern als Übertragungsmedium
können immer bessere Ergebnisse, z.B.
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größere Repeaterabstände erreicht werden, wenn die Dispersion der
Faser gering ist und die Lichtquelle am Eingang der Faser sowie der opto-elektronische
Wandler am Ausgang der Faser höhere Bitraten zulassen.
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Insbesondere schmalere spektrale Bandbreiten bei den Lasern führen
dazu, daß nicht nur die Modendispersion relativ gering ist, sondern auch die Materialdispersioi
um Größenordnungen gegenüber Lichtquellen mit höherer Spektralhalbwertsbreite sinkt.
Sowohl bei der Planung als auch beim Aufbau optischer übertragungsstrecken ist es
deshalb erforderlich, nicht nur die Gesamtdispersion feststellen zu können, sondern
auch deren Anteile, nämlich die Moden- und die Materialdispersion getrennt voneinander
beurteilen zu können. Während die Materialdispersion von der zentralen Wellenlänge
der Lichtquelle, ihrer spektralen Halbwertsbreite und natürlich von der Länge der
Faser abhängt, ist die Modendispersion im wesentlichen nur eine Funktion der zentralen
Wellenlänge der Lichtquelle und in Länge der Faser. Um eine Bitfehlerrate von z.B.
weniger als 10 9bei 560 Mbit/s übertragungsgeschwindigkeit zu erreichen, darf die
Impulsverbreiterung nicht mehr als 0,5 ns betragen. Bei spektralen Halbwertsbreiten
bis herab zu 0,8 nm, in der Hauptsache bei etwa 2 nm und einer zentralen Wellenlänge
von etwa 0,85 /um haben die bekannten Meßmethoden allein mit der Bestimmung der
Materialdispersion keine ausreichende Aussagekraft.
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Für die Lösung der Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, nämlich
bei verhältnismäßig geringer spektraler Halbwertsbreite der verwendeten Lichtquellen,
die Material- und die Modendispersion getrennt voneinander auf einfache Weise feststellen
zu können, wird gemäß der Erfindung folgender Weg eingeschlagen: - Lichtimpulse
gleicher zentraler Wellenlänge und sich unterscheidender spektraler Bandbreiten
werden durch die Faser geleitet;
- bei der jeweiligen spektralen
Bandbreite werden aus den zeitlichen Halbwertsbreiten der Impulse am Ausgang und
am Eingang der Faser dazugehörige Impulsverbreiterungswerte nach der Formel
ermittelt und als Punkte in einem rechtwinkeligen Koordinatensystem dargestellt
und - mittels der geraden Verbindung aller Punkte entsprechend der Funktion y =
a x + b, mit y = tut und x = Cah)',sind quadratische Werte darstellende Streckenlängen
als Größen für - die gesamte Dispersion (Länge: y = a x + b) - für den auf die Modendispersion
entfallenden Anteil (Länge: b = y - a x) - für den auf die Materialdispersion entfallenden
Anteil (Länge: a x = y - b) separat zu entnehmen.
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Der Anteil der Materialdispersion einer Multimodefaser, insbesondere
einer Gradientenfaser, hängt - wie bereits oben erwähnt - von der zentralen Wellenlänge
und der spektralen Halbwertsbreite sowie von der Länge der Faser ab. Der optische
Dispersions-koeffizient bei der Materialdispersion kann ausgedrückt werden als
Damit ergibt sich für die Materialdispersion folgender Ausdruck:
Dividiert man diesen Ausdruck durch die Länge der Faser und die
spektrale Halbwertsbreite, erhält man für den Parameter der Materialdispersion
Die Gesamtdispersion setzt sich im wesentlichen aus den beiden Anteilen: Materialdispersion
Modendispersion
und zusammen. Dafür gilt:
Aus diesen Zusammenhängen ist zu erkennen r daß bei der Messung der gesamten Dispersion
mit zwei unterschiedlichen spektralen Halbwertsbreiten Verhältnisse entstehen, die
durch die Funktion y = a . x + b, der Gleichung einer Geraden,beschrieben werden
können.
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Dabei entsprechen der gesamten Dispersion das y, der Modendispersion
das b und der Materialdispersion das cLx x der Geradengleichung Für die Materialdispersion
herrschen insbesondere in Abhängigkeit von der Länge der Faser lineare Verhältnisse.
Dies gilt nicht für die Modendispersion. Da sich jedoch die Gesamtdispersion und
die Materialdispersion bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren gleichzeitig und separat
ermitteln lassen, fo-lgt ohne weiteres der auf die Modendispersion entfallende Anteil
als Differenz der beiden erstgenannten Meßwerte.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung gelten
für die Werte der Lichtquelle folgende Angaben: Die Lichtimpulse weisenmfflimal
eine Pulsbreite von 280 ps auf, haben eine Spitzenleistung zwischen 0,1 W und 1
W und eine Folgefrequenz von 10 kHz, eine zentrale Wellenlänge von etwa 850 nm und
eine spektrale Halbwertsbreite von etwa 1,9nm. Hieraus ist zu erkennen, daß ein
Laser mit einer Al-Dotierung eingesetzt wird, bei dem die zentrale Wellenlänge kürzer
ist als bei anderen bekannten Lasern. Die Tendenzen der technischen Entwicklung
optischer Nachrichtensysteme weisen in die Richtung geringer spektraler Halbwertsbreite
für Digitaltechnik.
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Ebenfalls von wesentlicher Bedeutung für die Erfindung ist die Möglichkeit,
die spektrale Halbwertsbreite der Lichtimpulse mittels eines Spektrometers auf Werte
von ca. 1,3 nm und ca. 0,65 nm zu verringern. Sofern mehr als 2 unterschiedliche
Lichtimpulse für die Bestimmung der die Gesamtdispersion charakterisierenden Punkte
auf der Geraden y = a . x + b ermittelt werden sollen, können am Spektrometer beliebige
Zwischenwerte für die Spaltbreiten eingestellt werden.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung kann der Eingangsspalt
des Spektrometers mittels einer Faser mit ca. 65 um Kerndurchmesser beleuchtet werden.
Diese Größenverhältnisse Kerndurchmesser / Eingangsspalt bewirken energiemäßig eine
gute Ausnutzung der einzelnen angeschlossenen Systemkomponenten, da vom eingestrahlten
Licht nichts abgedeckt wird.
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Die Dispersionsmeßeinrichtung für Multimodefasern geht aus von einer
Anordnung, wie sie aus der oben bereits erwähnten Veröffentlichung "Appl. Opt. ,
1.7.79 s: 2223 ff bekannt ist. Sie ist gekennzeichnet durch einen gepulsten GaAlAs
- SHS-Laser mit einer zentralen Wellenlänge bei 0,85 /um, ein Gitterspektrometer
mit zwischen 5,0 mm und 0,25 mm veränderlicher Spaltbreite, ein optisches Linsensystem
zwischen der Lichtquelle und dem Gitterspektrometer, bestehend aus einem System
zweier durch eine Faser gekoppelter Mikroskopobjektive, einen Breitbandverstärker
mit einer oberen Grenzfrequenz von 3,15 GHz und ein Digital-Datenverarbeitungs-
und Anzeigegerät mit einem angeschlossenen Drucker.
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Eine derartige Messeinrichtung ist sowohl im Laborbetrieb als auch
im Feld einsetzbar. Während im Laborbetrieb Anfang und Ende der zu messenden Faser
örtlich nicht getrennt zur Verfügung stehen können, also ohne Schwierigkeit zur
Bestimmung der Pulsbreiten am Eingang und Ausgang demselben opto-elektronischen
Wandler zugeführt werden können, ist bei Messungen im Feld zunächst am einen Ende
der Faser mit den unterschiedlichen spektralen Bandbreiten zu messen und sodann
mit den jeweiligen spektralen Bandbreiten am anderen Ende der Faser. Die gemessenen
Werte lassen sich im Datenverarbeitungsgerät unabhängig von der Reihenfolge der
einzelnen Messungen speichern und bestimmungsgemäß auswerten.
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Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch
dargestellt. Dabei zeigen: Fig. 1: ein Blockschaltbild einer Dispersionsmeßeinrichtung
für Multimodefascrn
Figur 2 Schaubilder der dynamischen Spektren:
a) des Lasers b) hinter dem Spektrometer bei der Spaltbreite d = 5,0 mm c) hinter
dem Spektrometer bei der Spaltbreite d = 0,25 mm Figur 3 Schaubilder der Impulsformen
über der Zeit aufgetragen: a) vor dem Spektrometer b) entsprechend Fig. 2b) c) entsprechend
Fig. 2c) Figur 4 ein Schaubild für die Auswertung der Dispersionsmessung und Figur
5 Schaubilder (grafische Darstellung) gemessener Dispersionswerte.
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Bei der in Fig. 1 dargestellten Meßeinrichtung ist ein gepulster 0,85
/um (G.aA1)As- SHS-Laser- Modul (Hersteller: Optel CL 5003 A) eingesetzt. Ein Gitterspektrometer
(Modell Spex Model 1670 Minimate) wird als wA -Filter für die unterschiedlichen
spektralen Halbwertsbreiten verendet. Die Lichtimpulse weisen eine Spitzenleistung
zwischen 0,1 W bis 1 W auf, haben eine Folgefrequenz von 10 kHz, eine Halbwertbreite
von 270 ps und eine zentrale Wellenlänge von 851 rim. Die spektrale Halbwertsbreite
des Laser-Moduls beträgt 1,90 nm . Zur Ansteuerung der Lichtquelle dient ein TTL
Pulsgenerator. Das Spektrometer hat auf der Ausgangsseite auf unterschiedliche Werte
zwischen 5,0 mm und 0,25 mm einstellbare Spaltbreiten, wodurch die spektrale Halbwertsbreite
der vom Lasermodul erzeugten Lichtimpulse auf i,28 nm bzw. 0,+ nm verringert wird
(s.a. Fig. 2 b,c ). Die Eingangsschlitzbreite des Spektrometers beträgt 0,25 mm
und wird beleuchtet von einer Gradientenfaser mit einem Kerndurchmesser von 62,5
/um.
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Dazu werden 2 Mikroskopobjektive vor und hinter dieser Faser angeordnet.
Ebenfalls mittels optischer Linsensysteme wird der Spektrometerausgangsspalt auf
die zu messende Faser fokussiert. Als opto-elektronischer Wandler ist eine Si-APD
(Hersteller: AEG-Telefunken BPW 28) eingesetzt.
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Die in elektrische Signale umgewandelten Lichtimpulse gelangen über
einen Vorverstärker mit einer oberen Grenzfrequenz von 3,15 GHz(Typ: B&H Type
DC 3002 MIC-A) zur Anzeige- und Auswerteeinrichtung. Hierfür kann im einfachsten
Fall ein Oszilloskop (Tektronix Type 7904 mit den Einheiten 7512, S-4 und S-53)eingesetzt
werden. Besonders vorteilhaft ist jedoch hierfür ein Digital-Datenverarbeitungs-
und Anzeigegerät - DPO - mit einem angeschlossenen Drucker.
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Die Fig. 2 zeigt die Spektren der Pulsformen. Der von der Lichtquelle
erzeugte Impuls (a), der Impuls vor dem Spektrometer (b) und dahinter (c) wurden
mit einem zweiten Spektrometer (Modell Spex 1702) bei hoher spektraler Auflösung
von 0,01 nm gemessen.Hierbei ist zu erkennen, daß die unterschiedlichen Spaltbreiten
des Gitterspektrometers die spektrale Halbwertsbreite des Laserlichts von 1,90 nm
auf 1,28 nm bzw. O, nm bei einer konstanten zentralen Wellenlänge von 851 nm verringern.
Die Fig. 3 a,b,c zeigen die entsprechenden Impulsformen mit exakt konstanter zeitlicher
Halbwertsbreite von 261 ps hinter dem Spektrometer (b,c), und 270 ps vor dem Spektrometer,
s. (a).
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Die Fig. 4 zeigt, in welcher Weise der Wert für die gesamte Dispersion
in ihre Anteile für die Material-und die Modendispersion aufzuteilen ist. Gradientenfasern
der Firma CORNTNG, die von d<'r Fi -ma S i enzens verkabelt und von der Firma
SIECOR geliefert wurden, können in einer Ortstrasse für 280 Mbit/s und in einer
Ferntrasse für 560 Mbit/s eingesetzt werden. Der Parameter der Materialdispersion
wurde mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren bzw. mit der hier vorgeschlagenen Meßeinrichtung
mit einem Wert von MX = (107t 4) ps/km-nm bei 851 nm zentraler Wellenlänge ermittelt.
Die charakteristischen Werte für die gesamte Dispersion, der Materialdispersion
und der Modendispersion eines 1,574 km langen Ortstrassenkabels und eines 1,577
km langen Ferntrassenkabels mit Gradientenfasern sind nachfolgend in Tab. 1 aufgeführt.
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Tabelle 1 IOrtstrasse, L= 1,574 km
| X x, II 9L 'imAiet rHgL FZh |
| CnmJ J (Ämj s3 Sps3 ps) nps/km-mma |
| 0,64 851,1 323 111 303 110 |
| 1,28 850,6 376 222 303 i 110 |
Ferntrasse, L= 1,577 km
| 0,64 | 851,1 |l 241 110 215 215109 |
| 1,28 850,6 308 220 215 109 |
Hieraus ist zu ersehen, daß die verkabelten Fasern bezüglich der gesamten Dispersion,
wie die Messungen zeigen, unterschiedliche absolute Werte aufweisen, während der
Parameter der Materialdispersion überall bei einer konstanten zentralen Wellenlänge
(ca.851 nm) nahezu derselbe ist. Bei einer spektralen Halbwertsbreite von 1,28 nm
ist die Materialdispersion geringer als die Modendispersion (Ortstrasse) bzw. etwa
gleich groß (Ferntrasse), was auf die qualitativ besseren Fasern in der Ferntrasse
deutet, die bei der vorgesehenen höheren Ubertragungsgeschwindigkeit gegenüber der
Ortstrasse ein besseres Auflösungsvermögen haben.
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In der Fig. 5 sind die gesamte Dispersion und ihre Anteile in Abhängigkeit
von der Faserlänge bei der Orts- bzw.
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der Ferntrasse mit Gradientenfasern aufgetragen. Durch Subtraktion
des auf die Materialdispersion entfallenden Anteils von der gesamten Dispersion
ist für die Modendispersion zu erkennen, daß diese sich nicht linear mit der Länge
der Faser verändert. So gilt bis zu einer
Länge von 3 km #mod (
L ) ~ L0,75 bzw. L0,77 und einer Länge zwischen 3 km und 8 km Cmod( L ) L0,41 überschlägig
kann über die gesamte Länge tmod( L ) ,0,63 angesetzt werden. Die Änderung der Modendispersion
in Abhängigkeit von der Faserlänge kann durch die Änderungen der Modenmischung erklärt
werden.
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Das erfindungsgemäße Dispersionsmeßverfahren und die erfingungsgemäße
Dispersionsmeßeinrichtung sind Thema eines Vortrages bei der Veranstaltung 6. ECOC
vom 16. bis 19. September 1980 in York/Großbritannien.