DE4033546A1 - Hochaufloesende optische fehlerortungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die optische zeitbeherrschte (Gleichstromimpuls-)Reflektrometrie und insbesondere eine hochauflösende Untersuchung von Einmoden- Lichtleitfasern unter Verwendung von Multimoden-Lichtimpulsen.

Optische Gleichstromimpulsreflektometer, (Optical Time Domain Reflectometers = OTDR) werden in der Fernmeldetechnik für die Untersuchung von faseroptischen Kabeln zur Ortung von Unterbrechungen oder Brüchen eingesetzt, die die Signalübertragungsqualität eines Kabels beeinträchtigen. Bei der Untersuchung einer Lichtleitfaser mit einem OTD- Reflektometer werden von einem Laser erzeugte Lichtimpulse in die zu prüfende Lichtleitfaser eingespeist.

Während der Zeitphase zwischen den Übertragungen der Lichtimpulse wird das von der Faser in Form von Rückstreuung oder Reflexionen aufgrund von "Besonderheiten" im Leitungsverlauf, wie Spleißstellen, Koppelverbindungen und Brüchen, reflektiertes Licht in ein elektrisches Signal umgewandelt, abgetastet und für eine Anzeige gespeichert. Die gespeicherten Daten werden dann in einem Amplituden-Zeit- Diagramm dargestellt, aus dem ein allmählich sinkendes Rückstreuungsenergieniveau ablesbar ist, in dem die reflexionsverursachenden "Besonderheiten" als Impulse auf der Rückstreuung erscheinen.

Gegenwärtig werden zwei Hauptarten von Fernmeldesystemen mit Lichtleitung verwendet, nämlich Multimoden- und Einmodensysteme. Ein jedes System hat spezifische Merkmale, die auf der Wellenlänge der Lichtquelle und dem Kerndurchmesser der verwendeten Lichtleitfaser beruhen. Bei einem Multimodensystem wird im allgemeinen kurzwelliges Licht im Bereich von 850 nm verwendet. Als Lichtquelle dient entweder eine Leuchtdiode (LED) oder eine Laserdiode. Die meistverwendete Lichtleitfaser hat einen Kerndurchmesser von 62,5 Mikron, während andere Größen im Bereich von 50 bis 100 Mikron liegen. Ein wesentlicher Vorteil von Systemen mit 850 nm besteht in den geringeren Kosten der Komponenten im Vergleich zu Einmodensystemen. Die Signaldämpfung jedoch hängt von der Wellenlänge ab; daher ist der Übertragungsbereich von Multimodensystemen mit 850 nm beschränkt. Dies gilt ebenso für Einmodensysteme, die mit einer Lichtquelle von 850 nm arbeiten. Ein weiterer Einfluß, der sich bei Multimoden­ systemen auswirkt, sind die Streuungseffekte bei Datenübertragungsbandbreiten über größere Entfernungen. Mit zunehmender Übertragungsentfernung in einem Multimodensystem nimmt die Datenbandbreite ab.

Einmoden-Übertragungssysteme werden bei Erfordernis größerer Übertragungsbereiche und Datenübertragungsbandbreiten verwendet. Der Übertragungsbereich bei Einmodensystemen liegt in der Größenordnung von zehn Kilometern und die Datenübertragungsbandbreite liegt gegenwärtig in einem Bereich von mehreren Gigahertz. Bei einem Einmoden-Übertragungssystem beträgt der Kerndurchmesser der Lichtleitfaser ungefähr 9 Mikron. Längerwellige Lichtquellen, die durch Faserdämpfung weniger beeinträchtigt werden, sind ebenfalls eingesetzt. Die beiden Lichtquellen, die am häufigsten verwendet werden, sind Laserdioden mit Lichtwellenlängen von 1310 nm oder 1550 nm.

Aufgrund der wellenlängenabhängigen Dämpfung in der Faser und der unterschiedlichen Kerndurchmesser, wie sie bei den verschiedenen Fernmeldesystemen mit Lichtleitung verwendet werden und damit auch die elektronischen Prüf- und Meßeinrichtungen entsprechend fordern, verlangen von den Herstellern solche OTD-Reflektometer, die speziell zur Messung einer jeden Art von Lichtübertragungssystem ausgelegt sind. Ein Beispiel eines Multimoden-OTD-Reflektometers ist das Gerät "OF150", hergestellt von der Anmelderin (Tektronix, Inc., Beaverton, Oregon, U. S. A.), auf die die vorliegende Erfindung übertragen wurde. Das OF150 verwendet einen Laser mit 850 nm zur Erzeugung von Lichtimpulsen, die durch einen Multimodenkoppler und über Multimodenlichtleitfasern an einen Frontplattenanschluß geführt werden. Der Frontplattenanschluß nimmt eine Lichtleitfaser mit einem Kerndurchmesser von 62,5 Mikron zur Prüfung auf. Reflektiertes Licht von der in Prüfung befindlichen Faser wird an einen Silizium-Detektor angelegt, der das optische Signal zu einer weiteren Verarbeitung durch die Vorrichtung in ein elektrisches Signal umwandelt. Ein Beispiel eines Einmoden-OTD-Reflektometers ist das OF235, hergestellt von der Anmelderin (Tektronix, Inc.). Bei dem OF235 sind Laser der Wellenlängen 1300 nm und 1550 nm zur Prüfung von Einmoden-Übertragungssysteme bei einer dieser beiden Wellenlängen vorgesehen. Die Lichtstärke wird durch einen Einmodenkoppler und über eine Einmodenlichtleitfaser an einen Frontplattenanschluß gelegt. Der Frontplattenanschluß nimmt eine Lichtleitfaser mit einem Kerndurchmesser von 9 Mikron zur Prüfung auf. Reflektiertes Licht von der in Prüfung befindlichen Faser wird an einen Germanium-Detektor angelegt, der das optische Signal zu seiner weiteren Verarbeitung durch die Vorrichtung in ein elektrisches Signal umwandelt.

Bei Multimoden-OTD-Reflektometern ist eine genaue Prüfung von Einmoden-Lichtübertragungssystemen nicht möglich. Ein wesentlicher Signalverlust ergibt sich aus den unterschiedlichen Kerndurchmessern der entsprechenden Fasern, wenn eine Einmodenlichtleitfaser mit einem Multimoden- Verbindungsteil verbunden werden soll. Dies führt zu einer erheblichen Verringerung des dynamischen Bereiches der Vorrichtung. Überdies tritt eine wesentliche Signalreflexion an der Schnittstelle zwischen den Fasern auf. Weiterhin sind die meisten interessierenden "Besonderheiten" wellenlängen­ empfindlich, so daß Verluste bei 850 nm sich von denjenigen bei 1310 nm und 1550 nm unterscheiden. Der Signalverlust ist modusabhängig, so daß einige Fasermerkmale stärker gedämpft werden als andere.

Für Einmodenanwendungen ausgelegte OTD-Reflektometer weisen andere, eigene Nachteile auf. Die bei längeren Lichtwellenlängen verwendeten optischen Germanium-Detektoren haben einen längeren von Detektorspeichereffekten verursachten Detektor-Signalschwanz als die bei OTD-Reflektometern mit Lichtquellen von 850 nm verwendeten Silizium-Detektoren. Der Detektor-Signalschwanz beschränkt die Fähigkeit des OTD- Reflektometers, nahe beieinanderliegende Besonderheiten, nämlich "Ereignisse", beispielsweise dicht aufeinanderfolgende Reflexionen, voneinander aufzulösen. Überdies werden verhältnismäßig lange Lichtimpulsbreiten verwendet, um bei Einmodenanwendung mit Wellenlängen von 1310 nm oder 1550 nm einen ausreichenden dynamischen Bereich zu erhalten. Dies wiederum verringert die Auflösung der Einmodeninstrumente, die unter Verwendung dieser Wellenlängen "Ereignisse" orten, die nahe beieinanderliegen.

Es besteht daher der Bedarf nach einem Instrument zur Prüfung optischer Einmoden-Übertragungssysteme, das selbst nahe beieinanderliegende "Ereignisse" mit hoher Auflösung ortet.

Als Lösung dieser Aufgabe macht die vorliegende Erfindung eine optische Fehlerortungsvorrichtung zur Prüfung von Einmoden­ lichtleitfasern mit einer kurzwelligen Hochleistungs- Lichtquelle, wie beispielsweise einer Laserdiode mit 850 nm, verfügbar, die optische Energie in Form schmaler Lichtimpulse erzeugt und diese auf eine in Prüfung befindliche Einmodenlichtleitfaser legt. Ein Multimodenkopplungselement legt den Ausgangsstrom von der Lichtquelle an eine Multimoden- Ausgangsfaser an. Eine Einmodenfaser wird an die Multimodenausgangsfaser angespleißt, um die Lichtstärke von der Lichtquelle über ein Frontplattenverbindungselement auf der optischen Fehlerortungsvorrichtung an die in Prüfung befindliche Faser anzulegen. Ein optischer Detektor, der mit der kurzwelligen Hochleistungs-Lichtquelle kompatibel ist, wird an das Multimodenverbindungselement angeschlossen, um das reflektierte Licht von der in Prüfung befindlichen Faser aufzunehmen.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung der Zeichnung.

Die einzige Figur zeigt eine hochauflösende optische Fehlerortungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.

Eine hochauflösende optische Fehlerortungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist zur Untersuchung von Einmoden- Lichtleitfasern in Fernmeldesystemen im Nahbereich, wie beispielsweise Ortsbereichsnetze, bei denen Faser­ verbindungselemente dicht beieinander angeordnet sind, ausgelegt. Zur Ortung der verschiedenen Verbindungen im Netz ist es von Bedeutung, daß die Prüfvorrichtung gering beabstandete Verbindungen auflöst. Die einzige Figur stellt insgesamt ein optisches Schalterdeck 10 dar, das die voranstehend aufgeführten Anforderungen erfüllt und eine Hochleistungslichtquelle 12 mit geringer Wellenlänge aufweist, das über eine Multimodenlichtleitfaser 14 an einer Eingangsöffnung 16 eines optischen Multimoden-Kopplungs­ elementes 18 angeschlossen ist. Das optische Multimoden- Kopplungsstück 18 weist erste und zweite Übertragungs­ ausgangsöffnungen 20 bzw. 22 auf. Die Ausgangsöffnung 22 ist zur Verringerung von Reflexionen abgeschlossen, während die Ausgangsöffnung 20 mit einer optischen Multimoden- Ausgangsfaser 24 gekoppelt ist. Die Multimoden-Ausgangsfaser 24 ist über einen Fusionsspleiß 28, der eine nur geringe Reflexionsschnittstelle darstellt, an eine Einmodenfaser 26 gekoppelt. Die Einmodenfaser 26 ist an einen Frontplattenanschluß 30 gekoppelt, der eine zu prüfende Einmodenfaser 32 aufnimmt. Reflektiertes Licht von der in Prüfung befindlichen Faser 32 wird durch die Einmodenfaser 26 und die Multimodenausgangsfaser 24 an das Multimoden- Kopplungselement 18 abgegeben. Das Multimoden-Kopplungselement 18 leitet das reflektierte Licht an die Öffnung 34, die über eine Multimodenfaser 38 an einen optischen Detektor 36 angeschlossen ist. Der optische Detektor 38 wandelt das reflektierte Licht in elektrische Energie um, die von der Fehlerortungsvorrichtung zur Bestimmung des Ortes von "Ereignissen" in der Faser 32 verarbeitet wird.

Die Lichtquelle 12 ist eine Vorrichtung mit schmaler Wellenlänge und hoher Ausgangsleistung, wie beispielsweise eine Laserdiode zur Erzeugung von Licht mit einer Wellenlänge von 850 nm. Der Laser 12 mit 850 nm erzeugt energiereiche Lichtimpulse im Bereich von mehreren Watt Spitzenleistung. Die optische Energie von dem Laser 12 wird über die Multimodenfaser 14 an die Eingangsöffnung 16 des Multimoden- Kopplungselementes 18 gelegt. Das Multimoden-Kopplungselement besteht aus einer abgesicherten Doppelkonusvorrichtung, welche zur gleichen Aufteilung der optischen Energie eines jeden der Wellenausbreitungsmodi in der Vorrichtung und zur Anlegung dieser gleichmäßig aufgeteilten Modi an die Ausgangsschlitze 20 und 22 ausgelegt ist. Das grundlegende Herstellungs­ verfahren für die gesicherte Doppelkonus-Multimoden- Kopplungsvorrichtung ist in der U. S.-Patentschrift Nr. 47 72 085 beschrieben, und ist hierin als Stand der Technik erwähnt. Zur Herstellung des Multimoden-Kopplungselementes mit den voranstehend beschriebenen Merkmalen wird Lichtenergie von einer Einmodenfaser während des Ziehverfahrens der Vorrichtung an die Kopplungseinrichtung abgegeben und das Ausgangs­ kopplungsverhältnis an den Ausgangsöffnungen überwacht. Der Ziehvorgang geht weiter, bis ein Kopplungsverhältnis von 50% erreicht ist, woraufhin der Vorgang abgebrochen wird. Die optische Energiezufuhr an den Koppler erfolgt bei diesem Vorgang von einer Quelle mit einer Wellenlänge von 850 nm, die durch eine optische Faser mit einem Kerndurchmesser von 9 Mikron an den Koppler angeschlossen ist. Einspeisung von Licht einer Wellenlänge von 850 nm in eine Faser mit einem Durchmesser von 9 Mikron ergibt eine bimodale Eingabe an den Koppler. Die Verwendung einer Lichtquelle von 1310 nm mit einer 9 Mikron- Faser ergibt eine Einmoden-Eingabe.

Der Multimoden-Ausgang der Öffnung 20 wird in die Multimoden- Faser 24 eingespeist. Die Multimoden-Faser 24 wird über den Fusionsspleiß 28 mit der Einmoden-Faser 26 verbunden. Der Fusionsspleiß 28 eliminiert die starke Reflexion, die auftreten würde, wenn die Fasern 24 und 26 unmittelbar miteinander verbunden wären. Lichtüberschuß, der nicht von der Multimoden-Ausgangsfaser 24 in die Einmodenfaser 26 eingespeist wird, geht in der Umhüllung der Einmodenfaser 26 verloren. Aufgrund des hohen Energieniveaus des Multimoden­ lasers 12 wird auch bei schlechter Kopplungseffektivität ausreichend Lichtenergie von der Multimoden-Ausgangsfaser 24 in die Einmodenfaser 26 gespeist. Die in die Einmodenfaser 26 eingespeiste Lichtenergie wird über das Frontplatten­ verbindungsteil 30 in die in Prüfung befindliche Faser eingespeist.

Das von der in Prüfung befindlichen Faser 32 reflektierte Licht wird durch die Einmodenfaser 26, den Fusionsspleiß 28 und die Multimoden-Ausgangsfaser 24 in den Multimoden-Koppler 18 eingespeist. Der Multimoden-Koppler 18 führt das Licht zur Öffnung 34, welche mit dem optischen Detektor 36 über die Multimodenfaser 38 verbunden ist. Der optische Detektor 36 ist eine Silizium-Vorrichtung, welche mit dem von dem Laser 12 erzeugten Licht mit einer Wellenlänge von 850 nm kompatibel ist. Einige der Vorteile der Verwendung einer Lichtquelle von 850 nm zur Untersuchung von Einmodenfasern sind bei dem Detektor 36 anzutreffen. Silizium-Detektoren lassen sich bei höheren Multiplikationsverstärkungen einsetzen, wenn sie gemäß der vorliegenden Erfindung als Avalanchephoto-Detektoren verwendet werden. Dies erhöht den dynamischen Bereich der optischen Fehlerortungsvorrichtung. Zudem sind die Speicherwirkungen von Silizium-Detektoren geringer als diejenigen von Einmodendetektoren, weshalb sich ein kleinerer Detektor-Signalschwanz am hinteren Ende der auf "Ereignisse" zurückzuführenden Reflexionsimpulse ergibt, wodurch sich die Auflösung des "Ereignisses" durch das Instrument verstärkt.

Die Verwendung eines optischen Einmodenkopplers bei Wellenlängen von 850 nm ergibt nicht die für die vorliegende Erfindung beschriebenen Vorteile. Der Kerndurchmesser der Faser bei einem Einmodenkoppler bei 850 nm beträgt 6 Mikron und der Kerndurchmesser einer für Licht einer Wellenlänge von 1310 nm optimal ausgelegten Einmodenfaser liegt bei ungefähr 9 Mikron. Der Ausgang des Lasers mit 850 nm wird durch Fasern eines Durchmessers von 6 Mikron und den 6 Mikron Einmoden­ koppler an ein Frontplattenverbindungselement geführt, der eine Faser eines Durchmessers von 9 Mikron zur Prüfung aufnimmt. Alles Licht, das von der 9 Mikron Faser in Prüfung zurückreflektiert wird, erleidet einen leichten Übertragungs­ verlust von drei bis vier Dezibel auf dem Weg von der 9 Mikron Faser zu der 6 Mikron Faser. Dieser Verlust verringert den dynamischen Bereich eines Prüfungsinstrumentes der vorliegenden Konstruktion erheblich.

Eine optische Fehlerortungsvorrichtung ist zur Untersuchung von Einmodenlichtleitfasern beschrieben, die einen Laser mit 850 nm zur Einspeisung energiereicher optischer Impulse in eine in Prüfung befindliche Einmodenfaser verwendet. Ein optischer Multimodenkoppler wird verwendet, der die Energie der einzelnen Wellenausbreitungsmodi gleichförmig aufteilt und einen Teil der Energie in eine Multimodenausgangsfaser einspeist. Die Ausgangsfaser ist mit einer Einmodenfaser (beispielsweise durch Schmelzen) zusammengespleißt, welche wiederum über das Frontplattenverbindungselement mit der in Prüfung befindlichen Faser verbunden ist. Das reflektierte Licht von der Einmodenfaser wird durch den Fusionsspleiß und die Ausgangsfaser in den Multimodenkoppler gespeist, der das Licht an einen optischen Detektor gibt, der mit dem 850 nm Laser kompatibel ist. Es wird ein ausreichender dynamischer Bereich beibehalten, während gleichzeitig die Fähigkeit gegeben ist, auf der Faser nahe beieinanderliegende "Ereignisse" aufzulösen. Diese und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung sind in den nachfolgenden Ansprüchen ausgeführt.

Claims (7)

1. Optische Fehlerortungsvorrichtung zur Verwendung bei Einmodeneinrichtungen, bestehend aus:
einer Hochleistungslichtquelle (12) mit kurzer Wellenlänge;
einem Detektor (36), der mit der kurzwelligen Hochleistungslichtquelle kompatibel ist;
einem Multimodenkoppler (18) zur Einspeisung der Lichtenergie von der Lichtquelle in eine Multimodenausgangsfaser und von der Multimoden­ ausgangsfaser an den Detektor (36); und
einer mit der Multimodenausgangsfaser (24) zusammengespleißten Einmodenfaser (26), welche ein Verbindungselement (30) zur Verbindung einer in Prüfung befindlichen Einmodenfaser (32) mit der optischen Fehlerortungsvorrichtung aufweist.

2. Optische Fehlerortungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochleistungslichtquelle (12) mit kurzer Wellenlänge eine Laserdiode ist, deren Lichtleistung in einem Bereich von 850 Nanometern liegt.

3. Optische Fehlerortungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (36) eine Vorrichtung aus Silizium mit verringerter Speicherwirkung ist, wodurch sich ein kleiner Detektorsignalschwanz ergibt.

4. Optische Fehlerortungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Koppler weiterhin erste und zweite Ausgangsöffnungen aufweist, wobei die Lichtenergie für jeden Ausbreitungsmodus gleichmäßig zwischen den ersten und zweiten Öffnungen aufgeteilt wird, wobei die erste Ausgangsöffnung mit der mehrmodigen Ausgangsfaser verbunden ist.

5. Verfahren zur Herstellung eines Multimodenkopplers zur gleichmäßigen Aufteilung von Lichtenergie von Ausbreitungsmodi, wie sie am Eingang empfangen wurden, und Einspeisung von jeweils einem der geteilten Modi in einen Ausgang, folgende Schritte umfassend:

• - Einspeisung von Lichtenergie von einer Lichtquelle mit kurzwelligem Licht in den Koppler bei gleichzeitiger Bildung eines Koppelbereiches von der ersten und zweiten optischen Faser durch einen Ziehvorgang;
• - Überwachung des Ausgangs von dem Koppler auf ein Kopplungsverhältnis, das die Lichtenergie von den Ausbreitungsmodi gleichförmig aufteilt; und
• - Beendigung des Ziehvorganges bei dem optimalen Koppelverhältnis.

6. Verfahren zur Herstellung eines Multimodenkopplers nach Anspruch 5, wobei der Einspeisungsschritt weiterhin folgende Stufen umfaßt:
Erzeugung eines optimalen Ausgangs mit einer Wellenlänge von 850 Nanometern; und
Einspeisung des optischen Ausgangs in eine optische Faser, welche zumindest einen optischen Modus verbreitet.

7. Verfahren zur Herstellung eines Multimodenkopplers mit einem optimalen Kopplungsverhältnis von 50%.