DE4313138A1 - Meßnormal fuer optische Daempfungsmessungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Meßnormal für optische Dämpfungsmes­ sungen nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Zur Messung optischer Dämpfungen werden in der Regel Rückstreu­ reflektometer (englisch OTDR: Optical Time Domain Reflectometer) eingesetzt. Mit ihnen können Dämpfungskoeffizienten, Spleiß- und Steckerverluste bestimmt, sowie Störungen (Faserbrüche) in opti­ schen Kabeln lokalisiert werden. Bei dem Meßvorgang wird ein kurzer, intensiver Lichtimpuls in einen Lichtwellenleiter ein­ gestrahlt und aus dem zeitlichen Verlauf der zurückgestreuten bzw. der an Störungen reflektierten Lichtleistung der Dämpfungs­ koeffizient, sowie der Ort und die Höhe der Verluste bestimmt.

Zur Kalibrierung eines Rückstreureflektometers werden überwie­ gend Einmoden-Lichtwellenleiter (Kalibrierkabel) eingesetzt. Die optischen Fasern werden über Temperaturwechselzyklen gealtert, um eine möglichst hohe Langzeitstabilität zu erreichen, denn ein Meßnormal muß wegen der erforderlichen Genauigkeit und Langzeit­ konstanz eine Reihe von Voraussetzungen erfüllen.

Der Dämpfungskoeffizient des Kalibrierkabels wird über einen vorgegebenen Wellenlängenbereich mit dem international als Refe­ renzmethode anerkannten Rückschneideverfahren (engl.: cut back technique) so genau wie möglich gemessen. Das Rückschneidever­ fahren liefert einen integralen Dämpfungskoeffizienten über die gesamte Länge der Faser. Zur Messung muß weiterhin die Länge des Lichtwellenleiters bekannt sein. Diese wird entweder aus Lauf­ zeitmessungen kurzer Lichtpulse mit Hilfe der effektiven Brech­ zahl der Faser berechnet oder über geeichte mechanische Meßvor­ richtungen bestimmt. Die Längenmessung sollte mit einer Genauig­ keit von 0,1 Prozent oder besser noch von 0,03 Prozent erfolgen.

Die Dämpfungskoeffizienten für optische Kabel werden von einzel­ nen Telekommunikationsunternehmen bis auf 0,01 dB/km genau spe­ zifiziert. Deshalb sollten die Werte für ein Meßnormal auf min­ destens 0,003 dB/km, möglichst aber auf 0,001 dB/km Genauigkeit bekannt sein.

Zum Schutz gegen mechanische Beschädigungen und Umwelteinflüsse, aber auch gegen Erschütterungen und Temperaturwechselbeanspru­ chungen beim Transport wurde bisher für Kalibrierzwecke eine primärbeschichtete geeichte Faser in ein gelgefülltes Kunst­ stoffröhrchen eingezogen. Es ist auch bekannt, eine mit Glasfa­ serarmierung verkabelte Faser einzusetzen, die im Durchmesser etwa üblichen Innenkabeln entspricht.

Bei der Verkabelung mit Glasfaserarmierung ergibt sich das Pro­ blem, daß für noch einfach zu handhabende Gewichte des aufge­ trommelten Kabels nur Längen von unter 3 km eingesetzt werden können. Diese Länge reicht in der Regel nicht aus, um den Dämp­ fungskoeffizienten mit einer Genauigkeit von 0,001 dB/km zu mes­ sen. Die dazu erforderliche Länge beträgt etwa 6 km.

Die Einbettung der optischen Faser in ein gelgefülltes Kunst­ stoffröhrchen bietet keinen ausreichenden mechanischen Schutz für ein Meßnormal. Auch die Eindiffusion bestimmter Ionen oder Gasmoleküle durch das Kunststoffröhrchen in die Faser, wodurch beträchtliche Veränderungen der Dämpfungswerte hervorgerufen werden können, läßt sich nicht ausschließen.

Wasserstoff diffundiert leicht in Quarzglasfasern, selbst wenn er nur in geringen Konzentrationen in der Umgebungsatmosphäre vorhanden ist. Auch das Eindringen von Wasserdampf oder OH -Io­ nen kann über den Effekt der Spannungskorrosion bei Mikrokerben im Fasermantel langfristig zu Dämpfungserhöhungen führen. Wahr­ scheinlich wirken auch Alkali- oder andere Ionen langfristig auf die Dämpfung.

Beide Verfahren, also sowohl die bisher verwendete Verkabelung als auch das Einziehen in ein gelgefülltes Kunststoffröhrchen, bieten keinen ausreichenden Schutz gegen Umwelteinflüsse.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Meßnormal für optische Dämpfungsmessungen anzugeben, das die eingangs aufgestellten Forderungen in Bezug auf Genauigkeit und Längenkonstanz des Dämpfungskoeffizienten und auf Langzeitstabilität erfüllt.

Die Aufgabe wird von dem optischen Kabel mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen werden in den Unteransprüchen angegeben.

Erst mit der Erfindung wird ein Meßnormal geschaffen, mit dem die langzeitliche Konstanz des Dämpfungskoeffizienten innerhalb enger Toleranzen für jeden Teilabschnitt der Faser sicherge­ stellt ist.

Bei der Herstellung von Standard-Einmodenfasern mit Germanium­ oxyd-dotiertem Kern ergibt sich durch produktionstechnisch be­ dingte Variationen bei der Vorformherstellung und beim Faserzie­ hen eine Schwankung im Dämpfungskoeffizienten bei 1550 nm zwi­ schen 0,185 dB/km und über 0,2 dB/km. Aus den Beständen des Fa­ serherstellers wird eine möglichst lange Faser vorzugsweise aus dem vorgenannten Material ausgewählt, deren Dämpfungskoeffizient möglichst niedrig liegt, vorzugsweise höchstens um 0,002 dB/km über dem produktionstechnisch gegebenen Minimum. Eine Länge von etwa 50 km ist vorteilhaft. Eine solche Faser ist zwangsläufig weitgehend homogen. Der Dämpfungskoeffizient dieser Faser wird in einem vorgegebenen Spektralbereich (beispielsweise 1260 bis 1650 nm) mit einer Genauigkeit von 0,001 dB/km ausgemessen und die Faser in gleichlange Teilabschnitte vorzugsweise von zu­ nächst 25 km, dann 12,5 km und schließlich 6,25 km zerteilt, die alle mit derselben Genauigkeit vermessen werden. Man erhält so acht Teilstücke von je 6,25 km Länge und kann deren Dämpfungs­ koeffizienten mit der doppelten, vierfachen und achtfachen Länge sowie untereinander vergleichen. Die Dämpfung der Gesamtlänge liegt dicht an der unteren technisch möglichen Grenze. Damit ist sichergestellt, daß die Unterschiede zwischen den Teilfasern minimal sind.

Aus den 8 Teilabschnitten werden die 6 Längen mit den niedrig­ sten Dämpfungen ausgewählt, weil diese die beste Homogenität ge­ währleisten. Die Unterschiede in den Dämpfungskoeffizienten die­ ser Teilabschnitte sollten vorzugsweise zwischen 1260 nm und 1350 nm sowie zwischen 1450 nm und 1620 nm nicht über 0,001 dB/km liegen.

Die 6 Teillängen werden in ein mit einem zähen Medium gefülltes Röhrchen aus rostfreiem Stahl eingezogen, das im Laserschweiß- Verfahren nahtlos geschweißt ist. Als Füllung kann Petrolat, thixotropes Gel oder auch Pulver vorgesehen werden.

In ein solches Stahlröhrchen mit 2 mm Außendurchmesser und einer Wandstärke von 0,2 mm können 6 primärbeschichtete Standard-Ein­ modenfasern mit 0,25 mm Außendurchmesser eingezogen werden. Bei einer Länge von etwa 6 km, die für die Meßgenauigkeit von 0,001 dB/km ausreichend ist, wiegt dieses Minikabel etwa 70 kg. D. h. einschließlich der Spule und eines Transportbehälters ist ein Gesamtgewicht von unter 100 kg realisierbar. Das Meßnormal ist vom Gewicht her im Labor und beim Transport gut zu handhaben.

Der Edelstahlmantel hat den Vorteil, daß er trotz seines gerin­ gen Durchmessers ausreichenden mechanischen Schutz für das Meß­ normal sicherstellt und bei gleichem Gewicht wesentlich größere Kabellängen ermöglicht. Ein weiterer entscheidender Vorteil, der sowohl gegenüber der herkömmlichen Verkabelung als auch der Ver­ wendung von gelgefüllten Kunststoffröhrchen besteht, liegt in der Tatsache, daß der Stahlmantel eine vollständige Diffusions­ sperre gegen Wasserstoff, Wasserdampf und andere Ionen, Atome oder Moleküle darstellt. Man kann folglich davon ausgehen, daß die Dämpfungswerte der Kalibrierfasern im Stahlröhrchen langfri­ stig stabil bleiben.

Nach dem Einziehen in den Stahlmantel werden die Dämpfungskoef­ fizienten der Einzeladern noch einmal überprüft. Wenn die Fasern mit der für diese Anwendung angemessenen, richtigen Überlänge eingezogen werden, sollten untereinander identische Werte wie zuvor ermittelt werden. Dabei müssen die Fasern vorher auf ge­ eigneten Meßspulen ohne Krümmungs- und Mikrokrümmungsverluste gemessen worden sein. Das Stahlmantelkabel wird anschließend einem zyklischen Temperaturwechselprogramm (500 Wechsel zwischen -40 °C und +75 °C für je 1 Stunde) unterworfen. Die darauffol­ gende Kontrollmessung sollte unveränderte Dämpfungswerte erge­ ben. Da für die Messungen an den verkabelten Fasern eine Ver­ gleichslänge von jeweils zwei bis drei Metern abgeschnitten wer­ den muß, sollte ein Spezialwerkzeug zum gratfreien Abtrennen des Stahlröhrchens verwendet werden.

Nach diesen Verfahrensschritten wird ein erster mit einem zwei­ ten Faserabschnitt verspleißt. Die Spleißdämpfung, die einen typischen Wert von 0,1 dB hat, wird nach dem Rückschneidever­ fahren über die Differenz der Dämpfung des verspleißten Ab­ schnitts und der Summe der Werte für die Einzellängen auf 0,003 dB genau und wellenlängenabhängig bestimmt. Bei Bedarf können noch weitere Abschnitte verspleißt und die Dämpfung wie beim ersten Spleiß ermittelt werden.

Die ungeschützten Faserabschnitte im Spleißbereich werden durch einen Stahlröhrchenmantel mit etwas größerem Innendurchmesser geschützt, der über den Stahlmantel des ersten und zweiten Faserabschnitts geschoben und diffusionsdicht damit verbunden wird. Die Krümmung im Spleißbereich wird so groß gewählt, daß keine meßbaren Krümmungsverluste auftreten. Das ist etwa ober­ halb von 60 mm Krümmungsdurchmesser gewährleistet.

Bei Verwendung mehrerer Faser-Teilnormale muß der Übergang aus dem Schutzmantel, der alle Lichtleitfasern umgibt, zu den Steckerbuchsen der einzelnen Lichtleitfasern ebenfalls gegen äußere Einflüsse geschützt werden. Hierzu wird ein Stahlröhr­ chenmantel mit etwas größerem Innendurchmesser eingesetzt, aus dem entsprechend der Zahl der Lichtleitfasern, wie Finger aus einem Handschuh, dünnere Stahlröhrchen austreten. Das dickere Röhrchen wird diffusionsdicht mit dem Edelstahlmantel und die dünneren Stahlröhrchen, wie schon beschrieben, diffusionsdicht mit den Steckerbuchsen verbunden. Die Spleiße und/oder Stecker­ buchsen werden vorzugsweise in einem diffusionsdicht ausgeführ­ ten Spleißgehäuse dauerhaft befestigt. Es können noch Maßnahmen ergriffen werden, um im Spleißgehäuse die Luftfeuchtigkeit ge­ ring zu halten, beispielsweise mit Silicagel als Trockenmittel.

Nach Herstellung der Spleißverbindung und der Schutzummantelung wird das Kabel wieder einem Temperaturwechselprogamm unterzogen und die Dämpfung danach erneut überprüft, um sicherzustellen, daß auch für die Spleißdämpfung eine ausreichende Langzeitsta­ bilität zu erwarten ist. Anschließend werden die Ein- und Aus­ gänge des 12,5 km langen Abschnitts und der 4 Teilabschnitte von 6,25 km Länge mit optischen Steckerbuchsen abgeschlossen, deren Gehäuse diffusionsdicht mit dem Stahlmantel verbunden werden. Vorzugsweise werden Steckverbindungen mit hoher Rückreflexions­ dämpfung eingesetzt, also beispielsweise Stecker mit schräg an­ geschliffenen, konvexen Endflächen mit physikalischem Kontakt beim Stecken (engl.: physical contact plug, PC plug). Vorzugs­ weise werden die Steckerbuchsen in ein Behältnis eingebaut und dieses an einem Seitenflansch der Kabeltrommel befestigt.

Das Meßnormal bietet für die Eichung eines OTDR folgende Ein­ satzfälle:

• 1. Eichung des Dämpfungskoeffizienten an 4 Einzelfasern. Durch Quervergleich läßt sich die Sicherheit der Kalibrierung erhöhen und Einflüsse durch defekte Steckerendflächen erkennen bzw. aus­ schalten. Auch langfristige Änderungen sind erkennbar, sofern sie nicht für alle 4 Abschnitte die gleichen Auswirkungen haben.
• 2. An dem verspleißten 12,5 km-Abschnitt lassen sich sowohl die örtliche Lage als auch der Meßwert für den Spleißverlust prüfen und zusätzlich der Dämpfungskoeffizient über eine Länge von 12,5 km kalibrieren.
• 3. Durch Hintereinanderschalten aller Faser-Teilnormale über kurze Verbindungskabel mit optischen Steckern steht eine Meß­ strecke von insgesamt 37,5 km zur Verfügung mit einem Spleiß, der entweder an den Anfang oder an das Ende der Meßstrecke ge­ setzt werden kann, und mit 4 Steckverbindungen mit bekannter Position.

Bei Bedarf lassen sich andere Kombinationen aufbauen wie bei­ spielsweise 2 mal 2 verspleißte Einzellängen und 2 Abschnitte zu je 6,25 km.

Die Erfindung wird in den beiden Figuren näher beschrieben. Es zeigen im Einzelnen

Fig. 1 schematisch ein aufgetrommeltes Meßnormal;

Fig. 2 eine Ausführung eines Steckerbuchsengehäuses;

Fig. 3 die Einzelheit am Schutzmantelende und

Fig. 4 drei Beispiele einer Verschaltung der Faser-Teilnormale.

In Fig. 1 ist ein aufgetrommeltes optisches Kabel 2 dargestellt. Das Kabel 2 (siehe Fig. 3) enthält mehrere Lichtleitfasern 4, die mit einer zähen Flüssigkeit im Kabelmantel 6 aus Edelstahl festgelegt sind. Ein Ende des optischen Kabels 2 ist auf einer Seite der Kabeltrommel 20 (Flansch 22) nach außen und in ein Spleißgehäuse 18 geführt. Die Enden der Lichtleitfasern des anderen Endes des Kabels 2 werden vorzugsweise fertig konfekti­ oniert auf optische Stecker gelegt. Die Stecker werden in einem zweiten Gehäuse an einem der Flansche 22 der Kabeltrommel 20 ab­ gelegt, von wo sie mit der Meßeinrichtung in Kontakt gebracht werden. Da es noch keine Einheitlichkeit bei optischen Steckern gibt, empfiehlt es sich, die von außen zugänglichen Faserenden mit Überlänge frei liegen zu lassen. Die freien Faserenden kön­ nen dann bei Bedarf an jeweils passende Stecker geschweißt oder in die benutzten Geräte eingeführt werden.

Das Spleißgehäuse 18 ist in Fig. 2 geöffnet dargestellt. Bei­ spielsweise kann ein für optische Kabel übliches Spleißgehäuse verwendet werden, welches dauerhaft (diffusionsdicht) gegen äußere Einflüsse abschließbar ist. Die aus dem Ende des Schutz­ mantels 6 austretenden Lichtleitfasern 4 werden im Spleißgehäuse 18 um Abstützungselemente 19 gelegt, wobei der kritische Krüm­ mungsradius nicht unterschritten wird. Die Lichtleitfaserenden 9 sind in optischen Steckerbuchsen 14 befestigt, die ihrerseits wiederum im Spleißgehäuse 18 erschütterungssicher gelagert sind.

In Fig. 3 ist der Schutzmantel 6 des Kabels 2 zur Vermeidung scharfer Kanten zur Auslaßseite aufgebördelt. Die Lichtleitfa­ sern 4 werden im Bereich des Mantelauslasses mit einer kurzen, aufschiebbaren Schutzhülle 5 aus Kunststoff (beispielsweise Teflon) gegen Verletzungen geschützt.

In Fig. 4 sind drei verschiedene Schaltungen der Faser-Teil­ stränge 8 dargestellt; mit ihnen sind verschiedene Meß-Teilnor­ male realisierbar. In jedem Beispiel werden sechs optische Lichtleitfaser-Teilstränge 8 von nicht unbedingt gleicher Länge verwendet. In Fig. 4a sind zwei Teilstränge 8 durch einen dau­ erhaften Spleiß 10 verbunden. Die Faserenden 9 enden jeweils in einer optischen Steckerbuchse 14. In Fig. 4b wird kein dauerhaf­ ter Spleiß benutzt. Alle Faserenden 9 sind mit optischen Steckern 14 abgeschlossen. Die Stecker 14 können wahlweise mit­ einander oder mit der Meßeinrichtung in Kontakt gebracht werden. In Fig. 4c ist ein aus sechs Teilsträngen 8 mit maximaler Länge herstellbares Meßnormal dargestellt. Alle Faser-Teilstränge 8 werden hierbei über Steckerverbindungen und/oder mit dauerhaften Spleißen 10 in Reihe geschaltet.

Claims (10)

1. Meßnormal für optische Dämpfungsmessungen, bestehend aus ei­ nem optischen Kabel mit mindestens einer künstlich gealterten Lichtleitfaser von bekannter Dämpfung und bekannter Länge in ei­ nem mit zähem Medium gefüllten Kabelmantel, dadurch gekennzeich­ net, daß der Kabelmantel (6) aus einem Material besteht, der die Lichtleitfaser (4) langzeitlich gegen äußere Einflüsse schützt.

2. Meßnormal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kabelmantel (6) aus Metall ist.

3. Meßnormal nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Kabel (2) auf einer Kabeltrom­ mel (20) aufgewickelt ist.

4. Meßnormal nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser (4) aus mindestens zwei miteinander verbundenen Teilsträngen (8) besteht.

5. Meßnormal nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß minde­ stens ein Spleiß (10) zwischen zwei Faser-Teilabschnitten (8) dauerhaft ausgebildet ist.

6. Meßnormal nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserabschnittenden (9) und/oder die die Faserabschnittenden abschließenden optischen Steckerbuchsen (14) mit einem Mantel langzeitlich gegen äußere Einflüsse geschützt sind.

7. Meßnormal nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gehäuse (18) mindestens einer Stecker­ buchse (14) diffusionsdicht mit dem Kabelmantel (6) abgeschlos­ sen ist.

8. Meßnormal nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei der mit optischen Stecker­ buchsen (14) abgeschlossenen Faserabschnittenden (9) in einem gemeinsamen Gehäuse (18) untergebracht sind.

9. Meßnormal nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Steckerbuchsengehäuse (18) an der Kabeltrommel (20) befestigt ist.

10. Meßnormal nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kabeltrommel (20) in einem Behälter unterge­ bracht ist.