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Anordnung zur Bestimmung und Ortung von Reflexions-
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stellen in lichtleitenden Objekten Die Erfindung bezieht sich auf
eine Anordnung zur Bestimmung und Ortung von Reflexionsstellen in lichtleitenden
Objekten, mit einer Lichtquelle, einem Lichtempfänger und einem Faserkoppler, über
den Lichtwellen teilweise ausgekoppelt und dem Lichtempfänger zugeführt werden.
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In "Nachrichtentechnische Zeitschrift (ntz)"Bd. 31 (1978) Heft 2,
Seiten 144 ... 146 ist ein Rückstreuverfahren zur Untersuchung von Lichtleitfasern
beschrieben. Darin wird ausgeführt, daß zur Ortung von Störstellen in Fasern und
optischen Kabeln zwei Verfahren, nämlich die Echopulsmethode und die Rückstreumethode,
vorgeschlagen worden sind. Die Genauigkeit, mit der Verlustquellen in einer Lichtleitfaser
auf diese Art und Weise geortet werden können, beträgt bestenfalls etwa 1 m (s.a.a.O.,
Zusammenfassung und Abschnitt 2).
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Der Erfindung liegt als Aufgabenstellung zugrunde, Strukturen der
integrierten Optik bzw. monomodale oder polarisationserhaltende Faserkomponenten
zu analysieren. Hierfür ist eine örtliche Auflösung erforderlich, die gegenüber
der bekannten Rückstreumethode um drei bis vier Größenordnungen feiner ist, d. h.
Ortungen auf etwa o,1 mm bis 1,o mm genau zuläßt. Gemäß der Erfindung wird dies
erreicht durch - einen Monoodelaser mit durchstimmbarer Lichtfrequenz
als
wobbelbare Lichtquelle und - einen Homodynempfänger mit - einem Vier-Tor-Faserkoppler
für die auf ein monomodales Meßobjekt zulaufenden und die dort reflektierten Lichtwellen,
der zwischen einer Lichtleitfaser, die von der Lichtquelle zum Meßobjekt führt,.und
einer zum Lichtempfänger führenden Lichtleitfaser angeordnet ist, - einer Einrichtung
zur Addition der vor- und rücklaufenden Wellenanteile und - einem Lichtdetektor
als Lichtempfänger, dessen Ausgangssignal einer Fouriertransformations-Einrichtung
zur Bestimmung des Reflexionsfaktors als Funktion der Längenkoordinate zugeführt
wird.
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Diesem Vorschlag liegen teilweise Erkenntnisse zugrunde, die z.B.
auf dem Gebiet der Mikrowellentechnik gewonnen wurden und als sogenanntes Frequenzmodulationsradar
(FM-Radar) bekannt geworden sind. Das FM-Radar wurde erfolgreich in der Funkortung
und für Meßzwecke an Hohlleiterbauelementen in mm-Wellenbereich eingesetzt. Diese
Erkenntnisse sind insoweit geeignet, zum Verständnis der Wirkungsweise des der Erfindung
zugrundeliegenden Meßprinzips beizutragen.
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In jüngster Zeit haben Kontakte mit Wissenschaftlern in anderen Forschungslabors,
insbesondere in Japan, ergeben, daß dort z.B. versucht wurde, zeitlich variierende
Interferenzen zur Reflexionsfaktormessung an Faserenden heranzuziehen. Detaillierte
Angaben hierzu wurden jedoch nicht mitgeteilt und sind bisher nicht verfügbar.
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Den eigentlichen Ansatzpunkt für die Erfindung bilden
hingegen
neuere Konzepte für Nachrichtennetze mit optischen Kanälen nach dem Lichtträgerfrequenz-
und Heterodynprinzip (s. beispielsweise die ältere Anmeldung der Anmelderin, amtl.
Aktenzeichen P 32 37 845.9, mit Priorität der Voranmeldung vom 08.10.1981). Dort
kommt das überlagerungsprinzip in allgemeiner Form, dem Heterodynempfang, bei der
Erfindung in seiner Sonderform, als Homodynempfang, zum Einsatz.
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Trotz der teilweisen Ubereinstimmungen hinsichtlich der wissenschaftlichen
Theorien für die erwähnten technischen Gebiete lassen sich die dort gefundenen Lösungen
der praktischen Verwirklichung auf die Erfindung und deren Ausführungsformen nicht,
zumindest nicht ohne weiteres, vollständig übertragen. Dies wird z.B.
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schon daran deutlich, daß infolge der sich zwischen Mikrowellen- und
optischem Bereich etwa um den Faktor 1000 unterscheidenen Wellenlängen bzw. Frequenzen
dementsprechend auch die Abmessungen von Wellenleiterstrukturen im 10 m- bzw. mm-Bereich
liegen.
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Für die Übertragung der Lichtwellen zwischen der Lichtquelle und dem
Meßobjekt bzw. dem Lichtdetektor im Homodynempfänger sind bei erfindungsgemäß aufgebauten
Meßanordnungen Monomodefasern oder polarisationserhaltende Fasern einzusetzen. Diese
können im allgemeinen verhältnismäßig kurz, d.h. etwa 0,1 bis 10 m lang, sein. Damit
ergeben sich auch keine Probleme bezüglich der Reichweite, die sich vorwiegend nach
der Kohärenzlänge des Lasers richtet. Die Empfindlichkeit ist entsprechend dem homodynen
Empfangsverfahren hoch und kann durch mehrfache Wiederholung des Meßvorgangs und
Mittelung der Meßkurve gesteigert werden. Für die Auswertung der Meßergebnisse als
besonders angenehm ist
hervorzuheben, daß hierbei eine lineare Darstellung
der Amplitudenreflexion über der Längenkoordinate geliefert wird. Als Lichtempfänger
eignen sich übrigens handelsübliche PIN-Dioden oder APD.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird ein Monomodelaser
mit einer Nennwellenlänge bei etwa 830 nm und einem Wobbelhub im Bereich von etwa
2...5 nm eingesetzt. Dies beruht zunächst auf rein praktischen Gründen, denn derartige
Laser sind bereits erhältlich. Die Nennwellenlänge der Lichtquelle spielt jedoch
von der Theorie her für die Erfindung keine so bedeutende Rolle. Deshalb sind im
Rahmen der Erfindung auch andere Nennwellenlängen, insbesondere z.B. bei 1,3 lim
möglich. Demgegenüber ist der Wobbelhub, unabhängig von der Nennwellenlänge, für
die Ausführungsformen der Erfindung ganz wesentlich. Ein verhältnismäßig geringer
Wobbelhub, d.h. eine zeitproportionale Ende rung der Nennwellenlänge eines Monomodelasers
um wenige, z.B. 2 nm, ist bei den derzeit erhältlichen Lasern ohne größere technische
Probleme realisierbar. Ein geringer Wobbelhub führt jedoch auch nur zu einer vergleichsweise
und entsprechend geringen örtlichen Auf lösung bei der Ortung von Reflexionsstellen.
Für einen größeren Wobbelhub von z.B. 5 nm sind die Maßnahmen, die sonst, üblicher
Weise zur Stabilisierung und Durchstimmung eines Lasers,ergriffen werden, zu modifizieren,
da die derzeit erhältlichen Laser zum Modensprung neigen.
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Weiterhin vorteilhaft ist es für Ausführungsformen der Erfindung,
eine Richtungsleitung zwischen der Lichtquelle und der zum Meßobjekt führenden Lichtleitfaser
anzuordnen. Hierdurch werden Rückwirkungen, insbesondere von den vom Meßobjekt reflektierten
Lichtwellen,
auf den Laser unterbunden.
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Für den Homodynempfang muß eine Überlagerung der hin-und rücklaufenden
Wellen herbeigeführt werden, wobei die viel leistungsstärkere hinlaufende Welle
die Funktion des Überlagerungsoszillators übernimmt. Die vor-und rücklaufenden Wellen
können z.B. in einem weiteren RichtkoppXer vor dem Detektor überlagert werden. Für
bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung kann die vom Vier-Tor-Faserkoppler zum
Lichtempfänger führende zweite Lichtleitfaser in diesen Koppler integriert und zum
Zweck der Überlagerung das freie Ende dieser Faser verspiegelt sein. Die vom Spiegel
reflektierte Welle addiert sich zum Wellenzug, der vom Meßobjekt reflektiert wird,
wodurch bei der Frequenzvariation die konstruktiven und destruktiven Interferenzen
entstehen.
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Bei Ausführungsformen der Erfindung ist der erforderliche Wobbelgenerator
ein Sägezahn- oder auch ein Dreieckgenerator, mit dem zeitproportional die Lichtfrequenz
der Lichtquelle verändert wird Dadurch ergeben sich am Lichtempfänger periodische
Lichtenergieschwankungen, aus deren Zeitverlauf durch Fouriertransformation der
Ort und der Betrag der Reflexion im Meßobjekt bestimmt werden können.
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i Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch
dargestellt. Dabei zeigen: Fig. 1: ein Blockschaltbild eines optischen Frequenzbereichs-Reflektometers
und Fig. 2: einen Homodynempfänger für ein Reflektometer gem. Fig. 1 in abgewandelter
Form.
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Das Reflektometer gemäß Fig. 1 besitzt einen Monomodelaser 1, der
eine Lichtwelle z. B. mit der Nennwellenlänge X = 830 nm und einem Wobbelhub von
etwa 0,1 - 2 nm erzeugt. Für die zeitproportionale Änderung der Lichtfrequenz dient
beispielsweise ein Sägezahngenerator 6. Diese gewobbelte Lichtwelle gelangt über
eine gegebenenfalls vorgesehene Richtungsleitung 2 in die monomodale oder polarisatipnserhaltende
Lichtleitfaser 9 und von dort teilweise in das Meßobjekt 4, das mehrere Reflexionsstellen
5 aufweist. Im Homodynempfänger 10 werden über den Vier-Tor-Faserkoppler 3 die auf
die zu untersuchende Struktur oder Faserkomponente, das Meßobjekt 4, zulaufenden
und die dort reflektierten Wellen teilweise in die Leitleitfaser 11 übergekoppelt
und dem Eingang des Lichtempfängers, dem Lichtdetektor 8, zugeführt. Die Fasern
9 und 11 haben gleiche Übertragungseigenschaften. Je nach optischer Frequenz ergeben
sich Interferenzen, also Schwebungen der Lichtenergie, aus deren zeitlichem Verlauf
die örtlichen Lagen der Reflexionsstellen 5 sowie deren Beträge direkt bestimmbar
sind.
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Die im freien Ende der Lichtleitfaser 11 geführte Lichtenergie wird
dem Lichtdetektor 8 ebenfalls mittels eines weiteren Kopplers 7 zugeführt. Hierdurch
entsteht die für den Homodynempfang erforderliche Überlagerung.
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Das freie Ende der Faser 11 muß in diesem Fall möglichst reflexionsfrei
sein. Für genaue Messungen kann es erforderlich sein, vor dem Lichtdetektor 8 eine
weitere Richtungsleitung einzufügen.
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Bei der in Fig. 2 dargestellten abgewandelten Form des Homodynempfängers
10 ist die zum Lichtdetektor 8 führende Lichtleitfaser 11 in den Vier-Tor-Faserkoppler
3
integriert. Das bedeutet, es gibt ein freies Ende dieser Faser
11 bzw. des Vier-Tor-Kopplers 3, das in diesem Fall und im Gegensatz zur oben beschriebenen
Ausführungsform verspiegelt sein muß, damit die erforderlichte Uberlagerudg von
hin- und zurücklaufenden Wellen herbeigeführt wird. Dem konstruktiv einfacheren
Aufbau stehen allerdings stärkere Reflexionen zum Sender gegenüber, die jedoch von
der Richtungsleitung 2 - siehe 'Fig. 1 - unterdrückt werden können.
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Das Ausgangssignal des Homodynempfänger 10 - entweder entsprechend
Fig. 1 oder entsprechend Fig. 2 - wird in einer an sich bekannten Einrichtung FT,
insbesondere einer schnellen Fouriertransformation (FFT) unterzogen.
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Dadurch wird das Raumharmonischenspektrum des Reflexionsfaktors verfügbar,
aus dem Ort und Betrag der Reflexionen z.B. durch Darstellung von r(z) auf einem
Oszillographenschirm abzulesen sind.
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