DE3811029A1 - Vorrichtung zur kernlagemessung an stirnflaechen von lichtwellenleitern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Lageerkennung des Faserkernes an den Stirnflächen von Lichtwellenleitern, insbe­ sondere zur Kernlagemessung an Stirnflächen von einseitig mit einem Sender oder Empfänger bestückten Monomode-Fasern.

Die Verbindungen von Lichtwellenleitern haben durch die Qualität ihrer Ausführung einen wesentlichen Einfluß auf die Zu­ verlässigkeit und die Reichweite des Gesamtsystems von Lichtwellenleitern. Um geringe Koppelverluste und reproduzier­ bare Dämpfungswerte zu erzielen sind hohe Toleranzanforderungen zu erfüllen.

In der optischen Datenübertragung mittels Lichtwellenleiter werden in zunehmendem Maße Single- oder Monomode-Fasern einge­ setzt. Ein wesentliches Element innerhalb der Lichtwellenlei­ ter-Verbindungen ist die Steckverbindung, wobei insbesondere das Stift/Hülse-Prinzip eine wichtige Rolle spielt. Hierbei werden zwei Steckerstifte in eine Hülse eingeschoben, so daß die Steckerstifte und die darin enthaltenen Enden von Lichtwel­ lenleitern mit den jeweiligen Stirnflächen aneinander stoßen. Um geringe Dämpfungswerte einzuhalten, muß die Koaxialitätsab­ weichung zwischen dem Kern eines Lichtwellenleiters und dem Steckerstift so gering wie möglich gehalten werden. Somit muß eine Zentrierung des Faserkernes in Bezug auf den einhüllenden Zylinder des Steckerstiftes erfolgen. Um eine derartige Zentrierung durchzuführen muß der Kern des Lichtwellenleiters detektiert werden. Hierzu sind bisher Verfahren bekannt, die mittels einer Mikroskopvorrichtung detektieren und justieren. Ein derartiges Verfahren ist in der DE-OS 27 04 140 beschrieben. Da derartige Verfahren jedoch die Intensitätsverteilung an der Stirnfläche des Faserkernes erfassen, kann nicht bei der Betriebswellenlänge des im Betrieb im Lichtwellenleiter trans­ portierten Lichtes gearbeitet werden. Da die Anregung von Moden höherer Ordnung zu einer veränderten Intensitätsverteilung des Lichtes im sogenannten Nahfeld, also an der Stirnfläche des Lichtwellenleiters, führt, entspricht dies nicht den Betriebs­ bedingungen.

Durch den Einsatz einer Infrarot-Fernsehkamera ist es zwar mög­ lich, die Intensitätsverteilung des Lichtes am Ort der Stirn­ fläche des Lichtwellenleiters bei der Betriebswellenlänge zu erfassen, die nicht vorhandene Selektion von verschiedenen Moden führt jedoch zu einer Meßunsicherheit. Die bekannten Verfahren arbeiten bereits teilweise mit aus dem Lichtwellen­ leiter austretendem Licht. Sie versagen aber bei der Kernlage­ messung an Lichtwellenleiterenden, deren anderes Ende beispielsweise fest mit einem Empfangsmodul verbunden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu entwickeln, die den maximalen Lichtfluß des Grundmodes bei der Betriebswellenlänge und somit die Kernlage ermittelt.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im Anspruch 1 auf­ gezählten Merkmale.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine den heutigen Toleranzanforderungen entsprechende Kernlagemessung an den Stirnflächen von Lichtwellenleitern nur mittels einer Vor­ richtung erzielbar ist, die keinerlei betriebsfremde Bauteile enthält und damit die späteren Betriebsverhältnisse genau einstellt. Dies wird erreicht durch den Einsatz von Sende- oder Empfangsmodulen, die an zwei Lichtwellenleitern jeweils ein­ seitig angeschlossen sind, während die Stirnflächen der freien Enden gegeneinander ausgerichtet werden. Hierdurch wird die Verwendung der wahren Betriebswellenlänge ermöglicht. Des weiteren wird durch eine Optik, die im Maßstab 1:1 die sich gegenüberliegenden Stirnflächen der Lichtwellenleiter abbildet, das Licht entsprechend eingekoppelt und die Intensitätsvertei­ lung durch den dafür vorgesehenen Empfänger bei gleichzeitiger gegenseitiger Verstellung der beiden Stirnflächen der Lichtwel­ lenleiter detektiert. Somit werden negative Einflüsse bei der alleinigen Betrachtung nur einer Stirnfläche ausgeschlossen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß innerhalb eines der beiden Lichtleiter, vorzugsweise in dem Lichtleiter, der mit dem Sendemodul verbunden ist, eine Vor­ lauffaser zur Elimination von Mantelmoden eingesetzt wird. Damit weist das an der Stirnfläche des entsprechenden Lichtwel­ lenleiters austretende Licht nur den Grundmodus auf. Dies hat den besonderen Vorteil, daß eine Verschiebung oder Verzerrung des lntensitätsmaximums durch Mantelmoden nicht auftreten kann.

Vorzugsweise wird die Vorrichtung derart ausgebildet, daß die erste Halterung eine in XY-Richtung verstellbare Verstellein­ richtung ist und die zweite Halterung den zweiten Lichtwellen­ leiter ortsfest zentriert. Die Verstelleinrichtung wird in Form eines Präzisionskoordinatentisches dargestellt, damit die XY-Koordinaten zur Kernlagemessung exakt eingestellt und ausgewertet werden können.

Wird die Auswerteeinrichtung über eine Steuereinheit mit dem Präzisionskoordinatentisch verbunden, so ist die Erkennung des Intensitätsmaximums durch das Empfangsmodul, in Abhängigkeit von der Verstellung des Präzisionskoordinatentisches in XY-Richtungen, mittels der Auswerteeinheit direkt steuerbar. Die Auswerteeinheit wirkt auf die Steuereinheit, die wiederum den Präzisionskoordinatentisch steuert.

Zur Kontrolle der zeitlichen Schwankungen der Leistung des Sendemoduls wird ein Teil der Gesamtleistung innerhalb der Optik im Bereich der zentralen Achse über Teilerspiegel ausge­ koppelt und je nach Sendeposition von einem entsprechend an­ geordneten Detektor erfaßt.

Zur Kontrolle der Stirnfläche des zu prüfenden Lichtwellenlei­ ters wird dieser durch eine Optik visuell überwacht. Dazu wird er durch eine bezüglich der Stirnfläche spitzwinklig angeordnet Beleuchtungseinrichtung mit sichtbarem Licht beleuchtet, wobei das in Richtung der zentralen Achse von der Stirnfläche reflek­ tierte bzw. gestreute Licht über einen Teilerspiegel einer Beobachtungsoptik zuführbar ist.

Zur Prüfung von sogenannten pigtails wird die erfindungsgemäße Vorrichtung derart gestaltet, daß der zu prüfende Lichtwellen­ leiter ohne zwischengeschaltete Kupplungen direkt mit dem Sende- oder Empfangsmodul verbunden ist und auch mit diesem austauschbar ist.

Eine mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgenommene Mes­ sung wird in besonders vorteilhafter Weise entsprechend dem Verfahren in Anspruch 9 durchgeführt. Um unabhängig von sogenannten Master-Steckern zu sein, wird zum einen die Justage der gesamten Vorrichtung mittels eines exzentrischen Steckers in der beschriebenen Art und Weise durchgeführt und des weiteren jeder zu prüfende Stecker ebenso schrittweise um definierte Beträge gedreht, insgesamt bis zu einer vollen Umdrehung, wobei durch den erhaltenen Kreis der Intensitätsmaxima mit dessen Mittelpunkt die Kernlage ermittelt wird.

Anhand der schematischen Fig. 1 bis 3 wird im folgenden ein Ausführungsbeispiel beschrieben.

Fig. 1 zeigt die Anordnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kernlagemessung an Lichtwellenleitern,

Fig. 2 zeigt ein Beispiel für die Stirnfläche einer Monomode­ faser,

Fig. 3 zeigt die Intensitätsverteilung in Abhängigkeit von der Verstellung des Präzisionskoordinatentisches in XY-Richtungen.

In der Fig. 1 ist der schematische Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wiedergegeben. In diesem speziel­ len Fall wird von dem ersten Sende- oder Empfangsmodul 5, das hier als Sendemodul ausgebildet ist, Licht mit der Betriebswel­ lenlänge im Infrarotbereich an den ersten Lichtwellenleiter 3, eine Monomode-Faser, angekoppelt. Mittels einer Vorlauffaser 26 werden noch vorhandene Mantelmoden eleminiert, so daß die an der Stirnfläche des ersten Lichtwellenleiters 3 im Steckerstift 24 austretende Lichtverteilung nur den Grundmodus aufweist. Die symmetrisch aus zwei Objektiven aufgebaute Optik 7 bildet diese Lichtverteilung im Maßstab 1:1 auf die Stirnfläche des zu prü­ fenden zweiten Lichtwellenleiters 4 am Steckerstift 25 ab. Da­ durch wird sichergestellt, daß die Orts- und Winkelverteilung des eingekoppelten Lichtflußes dem zweiten Lichtwellenleiter 4 ideal angepaßt ist. Die eingekoppelte Intensität wird mit dem zweiten Sende- oder Empfangsmodul 19, in diesem Fall als Emp­ fangsmodul ausgelegt, aufgenommen. Da die gesamte Anordnung symmetrisch aufgebaut ist, lassen sich Sender und Empfänger gegenseitig vertauschen. Somit können sämtliche Leitungen in der optischen Datenübertragung geprüft werden. Dies ist von Bedeutung, wenn bestimmte Komponenten an ihren pigtails mit Steckern bestückt werden. Beispiele hierfür wären Lasermodule oder Avalanchedioden.

Mittels des Teilerspiegels 15, der auf der zentralen Achse 8 zwischen den beiden Objektiven der Optik 7 angeordnet ist, wird je nach Richtung des Lichtflußes entweder über die Optik 13 durch den Detektor 11 oder über die Optik 14 und den Detektor 12 die zeitliche Schwankung der Leistung des jeweiligen Senders 5 oder 19 überwacht. Mit der Beleuchtungseinrichtung 17 wird die Stirnfläche des zu prüfenden zweiten Lichtwellenleiters 4 derart beleuchtet, daß über den Teilerspiegel 18 und die Beobachtungsoptik 16 die Stirnfläche des zweiten Lichtwellen­ leiters 4 visuell kontrolliert werden kann. Dies kann einerseits die Kontrolle auf Staubfreiheit sein oder auch die Lagekontrolle des Lichtwellenleiters 4 im Steckerstift 25. Wird anstelle der Beobachtungsoptik 16 beispielsweise eine Infrarot­ kamera angebracht, so ist zusätzlich der Infrarotlichtfleck auf der Faserstirnfläche zu beobachten.

Zur Durchführung von Kernlagemessungen, die den Zweck haben, entweder eine Justierung des Faserkernes 2 relativ zum Steckerstift 25 oder die Exzentrizität des Faserkernes 2 bei einem bereits im Steckerstift 25 fixierten Lichtwellenleiter festzustellen, ist die erste Halterung 6 als ein in XY-Richtung verstellbarer Präzisionskoordinatentisch ausgebildet. Die X- und die Y-Koordinatenrichtungen stehen beide senkrecht auf der Achse der beiden Lichtwellenleiter 3, 4. Die zweite Halterung 9 ist als ortsfeste Zentriereinrichtung ausgebildet.

Um mit der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung Messungen durch­ führen zu können, muß zunächst das gesamte System justiert werden. Eine optimale Justierung ist erreicht, wenn der Steckerstift 24 so ausgerichtet ist, daß der von ihm ausgehende Lichtfluß über die Optik 7 genau in die Mitte des von der zwei­ ten Halterung 9 gehaltenen Steckerstiftes 25 trifft. Die Justage kann beispielsweise mit Hilfe eines exzentrischen Stec­ kerstiftes 25 geschehen. Dieser Stecker wird schrittweise um bestimmte Beträge um seine Achse gedreht und der Steckerstift 24 wird jeweils auf maximalen Lichtfluß mit Hilfe der ersten Halterung 6 eingestellt. Die mittels der Auswerteeinrichtung 10 festgehaltenen Orte der hintereinander ermittelten Maxima liegen auf einem Kreis, dessen Mittelpunkt der gesuchte Ort op­ timaler Justage ist. Eine derartige Ermittlung der zentralen Achse 8 des gesamten Systemes ist unabhängig von einem idealen Masterstecker.

Nach Erfolg der Justage, wobei dem System die Lage der zentra­ len Achse 8 innerhalb der XY-Ebene bekannt ist, kann beispiels­ weise der Steckerstift 24 auf der zentralen Achse 8 ortsfest gehalten werden und ein zweiter Lichtwellenleiter 4 kann nach Einstellung auf maximalen Lichtfluß im Steckerstift 25 justiert werden.

Die Kernlagemessung an fertig montierten Steckerstiften 25 wird in der Regel dazu benutzt, den Steckerstift 25 mit einer äußeren Markierung zu versehen, so daß sämtliche mit der Vor­ richtung geprüften und markierten Steckerstifte 25 bei Exzen­ trizitäten des Faserkernes bezogen auf die Achse des Stecker­ stiftes 25 diese Exzentrizität in der gleichen Richtung bezogen auf die Markierung aufweisen.

Die Fig. 2 zeigt das Größenverhältnis zwischen Faserkern 2 und gesamter Stirnfläche 1 eines Lichtwellenleiters. Bei der Her­ stellung einer Stift/Hülse-Verbindung kommt es im wesentlichen darauf an, daß die zwei aufeinander stoßenden Faserkerne 2 möglichst genau und ohne Exzentrizität ihrer beiden Achsen zu­ sammentreffen. Ist nun beispielsweise ein zu prüfender zweiter Lichtwellenleiter 4 in einem Steckerstift 25 eingebettet und ergibt sich eine Exzentrizität des Faserkernes 2 bezogen auf die Achse des Steckerstiftes 25, so ist eine gewisse Exzentri­ zität vertretbar. Für diesen Fall ist es jedoch sinnvoll, die Lage des Faserkernes 2 bezogen auf die Mittelachse des Stec­ kerstiftes 25 immer in die gleiche Richtung zu legen.

Die Fig. 3 zeigt beispielhaft, wie die Intensitätsverteilung der Lichtintensität J bei einer Monomode-Faser erscheint. Diese glockenähnliche Figur wird von der Vorrichtung derart detektiert, daß in einem Einfangbereich 22 beginnend mit einem Grobsuchweg 21 die maximale Lichtintensität dadurch aufgefunden wird, daß der Weg der Feinjustierung 23 durch Verstellung des Steckerstiftes 24 in XY-Richtung zu höherer Lichtintensitäts­ werten geschieht. Auch hier kann durch die Detektion verschie­ dener Orte gleicher Lichtintensität, die idealerweise auf einem Kreis liegen, die Lage des Maximums durch die Berechnung des Mittelpunktes dieses Kreises erhalten werden. Dazu werden beispielsweise mehrere Ort mit ca. 90% der maximalen Intensität festgehalten.

Die Meßunsicherheit dieses Systemes beträgt ±0,2 µm. Als Sendemodul 5 wurde beispielsweise ein Lasermodul mit einer Wel­ lenlänge von 1300 nm und als Empfänger eine InGaAs-Diode ver­ wendet. Der mechanische Verstellweg der ersten Halterung 6 be­ trug ±20 µm.

Die in Fig. 1 beschriebene Vorrichtung kann sowohl für Mono­ mode-Fasern als auch für Multimode-Fasern eingesetzt werden. Die Notwendigkeit zur Entwicklung eines derartigen Gerätes resultiert jedoch aus der Forderung, Steckverbindungen mit Monomode-Fasern mit geringstmöglicher Dämpfung zu liefern.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Lageerkennung des Faserkernes (2) an den Stirnflächen (1) von Lichtwellenleitern, insbesondere zur Kernlagemessung an Stirnflächen von einseitig mit einem Sender oder Empfänger bestückten Monomode-Fasern, mit

• a) einem an ein erstes Sende- oder Empfangsmodul (5) angeschlossenen ersten Lichtwellenleiter (3),
• b) einer ersten Halterung (6) zur Aufnahme des freien Endes des ersten Lichtwellenleiters (3),
• c) einer zweiten Halterung (9) zur Aufnahme des freien Endes eines zu prüfenden zweiten Lichtwellenleiters (4) in einem bestimmten Abstand von der ersten Halterung (6),
• d) einer zwischen den Stirnflächen (1) der Lichtwellenleiter (3; 4) angeordneten Optik (7) zur reellen Abbildung einer Stirnfläche (1) eines Lichtwellenleiters auf die Stirnfläche des anderen Lichtwellenleiters im Maßstab 1:1, wobei die zentrale Achse (8) der Optik (7) und die beiden Achsen der Lichtwellenleiter (3; 4) innerhalb der ersten und der zwei­ ten Halterung (6; 9) zumindest annähernd fluchtend angeordnet sind,
• e) einem mit dem zweiten Lichtwellenleiter (4) verbundenen zweiten Sende- oder Empfangsmodul (19), wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Sende- oder Empfangsmodul (5; 19) jeweils eine Sender-Empfänger-Kombination vorliegt,
• f) einer mit dem ersten und zweiten Sende- oder Empfangsmodul (5; 19) verbundenen Auswerteeinrichtung (10) zur Ermittlung des Intensitätsmaximums in Abhängigkeit von der Relativlage der beiden Stirnflächen (1) der Lichtwellenleiter (3; 4), wobei diese mittels mindestens einer der beiden Halterungen (6; 9) in zwei zur Achse der Lichtwellenleiter (3; 4) jeweils senkrecht stehenden karthesischen Koordinatenrichtungen verstellbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch, eine zwischen erstem und zweitem Sende- oder Empfangsmodul (5, 19) innerhalb des ersten oder zweiten Lichtwellenleiters (3; 4) plazierte Vorlauffaser (26) zur Modenselektion.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Halterung (6) eine Verstelleinrichtung die zweite Halterung (9) eine ortsfeste Zentriereinrichtung ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Halterung (6) durch einen Präzisionskoordinaten­ tisch dargestellt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (10) über eine Steuereinheit (20) mit dem Präzisionskoordinatentisch (6) verbunden ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen im Strahlengang der Optik (7) auf der zentralen Achse (8) angeordneten Teilerspiegel (15) zur Kontrolle der von einem der Sende- oder Empfangsmodule (5; 19) ausgehenden Lichtintensität mittels jeweils einem Detektor (11; 12) und einer zwischenge­ schalteten Optik (13; 14).

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen im Strahlengang der Optik (7) auf der zentralen Achse (8) angeordneten Teilerspiegel (18), einer zugehörigen Beobachtungs­ optik (16) und einer zugehörigen Beleuchtungseinrichtung (17) zur visuellen Beobachtung der Stirnfläche des zu prüfenden zweiten Lichtwellenleiters (4).

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Sende- oder Empfangsmodul (19) fest mit dem zu prüfenden zweiten Lichtwellenleiter (4) verbunden und gleich­ zeitig mit diesem austauschbar ist.

9. Verfahren zur Lagerkennung des Faserkernes (2) an den Stirn­ flächen (1) von Lichtwellenleitern unter Verwendung einer Vor­ richtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Kernlage eines Lichtwellenleiters an einem Steckerstift (25) durch mehrmalige Aufnahme des Intensitätsmaxi­ mums durch das Empfangsmodul (5) nach jeweils schrittweiser Drehung des Steckerstiftes (25) in Umfangsrichtung geschieht, wobei die aufgenommenen Maxima auf einem Kreis liegen, dessen Mittelpunkt der Ort optimaler Justage ist.