DE4408995C2 - Vorrichtung zur Bestimmung einer Verzerrungsstelle eines Lichtleiters - Google Patents

Vorrichtung zur Bestimmung einer Verzerrungsstelle eines Lichtleiters

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Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Verzerrungsstelle eines Lichtleiters umfassend: mindestens eine erste Lichtquelle zur Erzeugung von kontinuierlichem Licht mit einer vorherbestimmten Frequenz, wobei die erste Lichtquelle mit einem entfernten Ende eines zu messenden Lichtleiters verbunden ist; einen optischen Koppler zur Aufteilung des kontinuierlichen Lichtes, das aus einem nahen Ende des Lichtleiters austritt; einen optischen Verstärker zur Verstärkung des kontinuierlichen Lichtes, das durch den optischen Koppler aufgeteilt wurde; mindestens einen ersten optischen Schalter zur Erzeugung eines ersten Lichtimpulses durch Umschaltung des kontinuierlichen Lichtes einer zweiten Lichtquelle; ein digitales Verarbeitungssystem zur Anzeige des aus dem nahen Ende des Lichtleiters über den optischen Koppler austretenden kontinuierlichen Lichtes mit der vorherbestimmten Frequenz; und einen Taktsteuerschaltkreis zur Steuerung des Betriebstaktes des ersten Schalters.
Eine solche Vorrichtung ist aus "Optics Letters", Vol. 14, No. 8, April 15, 1989, S. 408 -410, bekannt.
Aus "Optics Letters", Vol. 18, No. 3, Feb. 1, 1993, S. 185- 187, ist eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Verzerrungsstelle eines Lichtleiters bekannt, die umfaßt: eine Lichtquelle zur Erzeugung von kontinuierlichem Licht mit einer Frequenz f₀; mindestens einen ersten optischen Koppler zur Aufteilung des kontinuierlichen Lichtes; einen optischen Verstärker; einen ersten optischen Schalter zur Erzeugung eines ersten Lichtimpulses durch Umschaltung des kontinuierlichen Lichtes; eine optische Frequenzverschiebungseinrichtung zur Erzeugung eines zweiten optischen Impulses, der Frequenzbestandteile (f₀ + fm) hat, die auf dem ersten optischen Impuls basieren; einen zweiten optischen Schalter zur Einspeisung des zweiten optischen Impulses in das nahe Ende des Lichtleiters; ein Empfänger zur Anzeige des aus dem nahen Ende des Lichtleiters über einen zweiten optischen Koppler austretenden Lichtes; und einen Taktsteuerschaltkreis zur Steuerung des Betriebstaktes des ersten und zweiten Schalters und der optischen Frequenzverschiebungseinrichtung.
Aus DE 40 16 331 A1 ist die Erweiterung eines Brillouin-Faserverstärkers zum optischen Überlagerungsempfänger bekannt.
Ein Beispiel des Aufbaus einer weiteren herkömmlichen Vorrichtung zur Bestimmung einer Verzerrungsstelle eines Lichtleiters wird unter Bezugnahme auf Fig. 5 erklärt. In Fig. 5 sind die Lichtquellen 1A, 1B, ein Anzeigegerät 7, ein optischer Schalter 9A, ein optischer Koppler 9B und ein optischer Lichtleiter 10 vorgesehen. In Fig. 5 erzeugt die Lichtquelle 1A kontinuierliches Licht 21 und die Lichtquelle 1B kontinuierliches Licht 22. Das kontinuierliche Licht 22 der Lichtquelle 1B wird durch den optischen Schalter 9A in einen optischen Impuls 23 umgewandelt. Das Anzeigegerät 7 weist den Aufbau eines herkömmlichen Anzeigegeräts auf, das in einem herkömmlichen optischen Impulszähler verwendet wird. Der Lichtschalter 10 ist zu messen. Der in Fig. 5 dargestellte Schaltkreis bildet einen Brillouin-optischen Zeitbereichsanalysator (im weiteren als BOTDA bezeichnet). Der BOTDA ist in EP-A2 03 48 235 beschrieben.
In Fig. 5 wird das kontinuierliche Licht 21 der Lichtquelle 1A in das entfernte Ende 10A des Lichtleiters 10 eingespeist. Der optische Impuls 23 aus dem optischen Schalter 9A wird über den optischen Koppler 9B in das nahe Ende 10B des Lichtleiters 10 eingespeist. Der Lichtimpuls 23 läuft weiter zum entfernten Ende 10A des Lichtleiters 10, wobei er kontinuierlich mit dem kontinuierlichen Licht 21 kollidiert, das am entfernten Ende 10A in den Lichtleiter 10 eingespeist wird. Wenn die Frequenzdifferenz zwischen der Frequenz des kontinuierlichen Lichtes 21 der Lichtquelle 1A und dem kontinuierlichen Licht 22 der Lichtquelle 1B gleich der Brillouin-Verschiebungsfrequenz ist, läuft das kontinuierliche Licht 21, das am entfernten Ende 10A in den Lichtleiter 10 eingespeist wird, zum nahen Ende 10B, wobei es Brillouinverstärkt wird. Somit wird das kontinuierliche Licht 21 mit Informationen über die Verlusteigenschaften des Lichtleiters 10 beaufschlagt. Das kontinuierliche Licht 21 vom nahen Ende 10B wird über den optischen Koppler 9B zum Anzeigegerät 7 weitergegeben. Die Verlusteigenschaften des Lichtleiters 10 werden auf dem Anzeigegerät 7 visualisiert.
In der aus der EP-A2-0 348 235 bekannten Vorrichtung zur Bestimmung einer Verzerrungsstelle eines Lichtleiters werden analog zur aus "Optics Letters", Vol. 14, No. 8, April 15, 1989, S. 408-410 bekannten Vorrichtung beide Lichtquellen 1A und 1B benötigt, da das kontinuierliche Licht 21 bzw. der Lichtimpuls 23 in das entfernte Ende 10A bzw. das nahe Ende 10B des Lichtleiters 10 eingespeist werden muß. Die Frequenzstabilität der Lichtquellen 1A und 1B beeinflußt direkt die Meßgenauigkeit der Verzerrung des Lichtleiters 10. Da die Brillouin- Verschiebungsfrequenz ungefähr 500 MHz ist, wenn die Verzer­ rung des Lichtleiters 1% beträgt, muß die relative Frequenz zwischen dem kontinuierlichen Licht 21 der Lichtquelle 1A und dem kontinuierlichen Licht 22 der Lichtquelle 1B weniger als 5 MHz sein. Jedoch ist es bei dem herkömmlichen Gerät zur Bestimmung der Verzerrungsstelle des Lichtleiters nicht möglich, daß die obengenannte Stabilität weniger als 5 MHz beträgt.
In Anbetracht der oben aufgeführten Probleme ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Verzerrungsstelle eines Lichtleiters zur Verfügung zu stellen, die die Frequenz eines kontinuierli­ chen Lichtes und eines optischen Impulses innerhalb der Meßzeit einer Messung stabilisieren kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Verzerrungsstelle eines Lichtleiters gemäß dem einzigen Anspruch zur Verfügung.
Gemäß der vorliegenden Erfindung besteht eine Verbesserung darin, daß ein Meßsystem entsprechend einem BOTDA mit zwei Lichtquellen, die die Brillouin-Verstärkungseigenschaften ausnützen, mit Hilfe eines Meßsystems gebildet werden kann, das kontinuierliches Licht von nur einer einzigen Licht­ quelle in Verbindung mit einer optischen Frequenzverschie­ bungseinrichtung verwendet. Dementsprechend werden der kontinuierliche Impuls und der optische Impuls innerhalb der Meßzeit einer Messung stabil.
Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezug­ nahme auf die beigefügten detaillierten Figuren, wobei die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung deutlich werden und wobei:
Fig. 1 ein Blockdiagramm des Aufbaus einer bevorzugten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Bestimmung einer Verzerrungsstelle eines Lichtleiters gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 exemplarisch den Aufbau einer optischen Fre­ quenzverschiebungseinrichtung 5 der Fig. 1 zeigt;
Fig. 3 ein Taktdiagramm ist, das die Eingabe- und die Ausgabeimpulse eines jeden Teils der Vorrichtung zur Bestimmung der Verzerrungsstelle des Lichtleiters der Fig. 1 zeigt.
Fig. 4 exemplarisch den Aufbau eines Anzeigegerätes 7 der Fig. 1 zeigt.
Fig. 5 exemplarisch den Aufbau einer herkömmlichen Vorrichtung zur Bestimmung einer Verzerrungsstelle eines Lichtleiters zeigt.
Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 1-4 erläutert. Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm des Aufbaus einer Vorrichtung zur Bestimmung einer Verzerrungsstelle eines Lichtleiters, basierend auf der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In Fig. 1 sind Bestandteile, die den Bestandteilen der herkömmlichen Vorrichtung zur Bestimmung der Verzerrungsstelle eines Lichtleiters der Fig. 5 entsprechen, mit ihren ursprünglichen Bezugszeichen gekennzeichnet. In Fig. 1 werden eine Lichtquelle 1, ein optischer Koppler 2, ein optischer Verstärker 3, optische Schalter 4 und 6, eine optische Frequenzverschiebungsein­ richtung 5, ein Anzeigegerät 7 und ein Taktsteuerschaltkreis 8 zur Verfügung gestellt. In Fig. 1 erzeugt eine Lichtquelle 1 kontinuierliches Licht 11 mit einer Wellenlänge f₀. In Fig. 1 wird das kontinuierliche Licht 11 aus der Lichtquelle 1 in ein entferntes Ende 10A des Lichtleiters 10A eingespeist. Das kontinuierliche Licht 11 wird über den Lichtleiter 10 in den optischen Koppler 2 eingespeist, der mit einem nahen Ende 10B des Lichtleiters 10 verbunden ist. Das kontinuierliche Licht 11, das durch den optischen Koppler 2 aufgeteilt wird, wird im optischen Verstärker 3 verstärkt. Das kontinuierliche Licht 11, das durch den optischen Verstärker 3 verstärkt wird, wird im optischen Schalter 4 in einen optischen Impuls 12 umgewandelt.
Der optische Impuls 12 wird in der optischen Frequenz­ verschiebungseinrichtung 5 in einen optischen Impuls 13 umgewandelt, der die Frequenzbestandteile mit der Wellen­ länge (f0 + fm) besitzt. Der Aufbau und die Funktion der optischen Frequenzverschiebungseinrichtung 5 wird später unter Bezugnahme auf Fig. 2 ausgeführt. Der optische Impuls 13 der optischen Frequenzverschiebungseinrichtung 5 wird über einen optischen Schalter 6 und den optischen Koppler 2 in das nahe Ende 10B des Lichtleiters 10 eingespeist. Wenn der optische Impuls 13 in das nahe Ende 10B des Lichtleiters 10 eingespeist wird, läuft der optische Impuls 13 weiter zum entfernten Ende 10A im Lichtleiter 10, wobei er kontinuierlich mit dem kontinuierlichen Licht 11 kollidiert, das am entfernten Ende 10A in den Lichtleiter eingespeist wird. Wenn die Frequenz fm gleich der Brillouin- Verschiebungsfrequenz des Lichtleiters 10 ist, läuft das kontinuierliche Licht 11, das am entfernten Ende 10A in den Lichtleiter 10 eingespeist wurde, weiter zum nahen Ende 10B, während es Brillouinverstärkt wird. Somit wird das kontinuierliche Licht 11 mit Informationen über die Verlusteigenschaften des Lichtleiters 10 beaufschlagt. Das kontinuierliche Licht 11 aus dem nahen Ende 10B wird über den optischen Koppler 2 und den optischen Schalter 6 zum Anzeigegerät 7 übermittelt. Die Verlusteigenschaften des Lichtleiters 10 werden auf dem Anzeigegerät 7 visualisiert. Das oben erwähnte kontinuierliche Licht und die optische Impulseinspeisung und der Anzeigevorgang der Vorrichtung zur Bestimmung der Verzerrungsstelle eines Lichtleiters sind die gleichen wie in einem herkömmlichen BOTDA, der Brillouin- Verstärkungseigenschaften besitzt.
Als nächstes wird der Aufbau der optischen Frequenzverschie­ bungseinrichtung 5 unter Bezugnahme auf Fig. 2 erklärt. In Fig. 2 sind Koppler 5A und 5C, eine Frequenzverschiebungs­ einrichtung 5B, ein optischer Schalter 5D, eine Verzöge­ rungsleitung 5E, ein optischer Verstärker 5F, eine automati­ sche Phasensteuerung 5G (im weiteren als APC bezeichnet) und ein Modulator 5H dargestellt. Der Aufbau des optischen Schalters 5D ist der gleiche wie der der optischen Schalter 4 und 6 aus Fig. 1. Dieser optische Schalter arbeitet beispielsweise mit einer Schaltzeit von circa 1 µs. Die Verzögerungsleitung 5E verzögert das eingegebene Licht mit der Zeit Δt.
Der optische Impuls mit der Wellenlänge f0 aus dem optischen Schalter 4 wird in einem Schleifenschaltkreis in einen optischen Impuls 13, der Frequenzbestandteile der Wel­ lenlänge (f0 + fm) hat, umgewandelt. Der Schleifenschalt­ kreis wird durch die optischen Koppler 5A und 5C, die Frequenzverschiebungseinrichtung 5B, den optischen Schalter 5D, die Verzögerungsleitung 5E und dem optischen Verstärker 5F gebildet. Die Frequenz fm wird durch das Produkt der Zahl n, das anzeigt, wieviele Male der optische Impuls 12 durch die Frequenzverschiebungseinrichtung 5D läuft, mit der Ver­ schiebungsfrequenz Δf der Frequenzverschiebungseinrichtung 5D bestimmt. Wenn der optische Impuls 12 n mal im Schleifen­ schaltkreis läuft, wird der optische Impuls 13 mit den Fre­ quenzbestandteilen der Wellenlänge (f0 + fm) durch Umschaltung des optischen Schalters 5D aus dem Schleifen­ schaltkreis ausgegeben und zum optischen Schalter 6 weiter­ geleitet. Die optische Frequenzverschiebungseinrichtung ist im B-773, im vierten Band der Sammlung der Vorträge der Tagung des "Japanese Electronic Information Communication Congress", 1992, beschrieben.
Als nächstes wird die Taktung des Gerätes der Fig. 1 unter Bezugnahme auf die Fig. 3 erläutert. Fig. 3(a) zeigt ein Beispiel der Wellenform eines Steuerimpulses, der an den optischen Schalter 6 angelegt wird. Fig. 3(b) zeigt ein Bei­ spiel der Wellenform eines Steuerimpulses, der an den opti­ schen Schalter 4 angelegt wird. Fig. 3(c) zeigt ein Beispiel der Wellenform eines Steuerimpulses, der an den optischen Schalter 5D in der optischen Frequenzverschiebungseinrich­ tung 5 angelegt wird. Fig. 3(d) zeigt ein Beispiel der Wel­ lenform eines optischen Impulses 12. Fig. 3(e) zeigt ein Beispiel der Wellenform eines Impulses, der in der optischen Frequenzverschiebungseinrichtung 5 erzeugt wird. Fig. 3(f) zeigt ein Beispiel der Wellenform eines optischen Impulses 13.
Wenn der optische Schalter 4 zum in Fig. 3(b) dargestellten Zeitpunkt eingeschaltet wird, wird, wie in Fig. 3(c) gezeigt, der optische Schalter 5D eingeschaltet, wodurch der optische Impuls 12 nach der erforderlichen Zeit erzeugt wird, wie in Fig. 3(d) gezeigt. Der optische Impuls 12 läuft durch den in der optischen Frequenzverschiebungseinrichtung 5 gebildeten Schleifenschaltkreis, mit dem Ergebnis, daß die Frequenzbestandteile mit der Wellenlänge (f0 + Δf), (f0 + 2Δf), (f0 + 3Δf) und ähnliche erzeugt werden, wie in Fig. 3(e) dargestellt. Wenn dann als nächstes die Frequenz­ bestandteile mit der Wellenlänge (f0 + fm) erzeugt werden, wird der in Fig. 3(f) dargestellte optische Impuls 13 mit den Frequenzbestandteilen der Wellenlänge (f0 + fm) aus dem Schleifenschaltkreis ausgegeben. Diese Ausgabe erfolgt durch die zeitliche Steuerung des optischen Schalters 6, wie in Fig. 3(a) dargestellt, infolge der Abschaltung des optischen Schalters 5D zum in Fig. 3(c) dargestellten Zeitpunkt.
Wenn z. B. die Wellenlänge λ des optischen Impulses 12 1,55 µm beträgt, entspricht die Brillouin-Frequenzverschiebung ungefähr 10,9 GHz. Ein akustisch-optischer Schalter wird als Frequenzverschiebungseinrichtung 5B verwendet, und der Modulator 5H zur Steuerung der Betriebsfrequenz der Frequenzverschiebungseinrichtung 5B steuert die Größe der optischen Frequenzverschiebung der Frequenzverschiebungsein­ richtung 5B. Der Steuerbereich der verschobenen optischen Frequenz ist z. B. 115 bis 125 MHz.
Falls es gewünscht wird, ein Verzerrungsverhältnis des Lichtleiters von weniger als 3% zu messen, kann, da die relative Frequenzdifferenz zwischen dem kontinuierlichen Licht 11 und dem optischen Impuls 13 10,9 GHz ± 1 GHz sein muß, diese Frequenzdifferenz auf 10,9 GHz ± 1 GHz einge­ stellt werden. Die Einstellung erfolgt durch die Steuerung der Zahl n, die anzeigt, wieviele Male der optische Impuls 12 die Frequenzverschiebungseinrichtung 5B durchlaufen hat, und durch die Steuerung der Betriebsfrequenz der Frequenz­ verschiebungseinrichtung 5B. Wenn z. B. der optische Impuls 12 bei 9,9 GHz verschoben werden soll, kann die Zahl n auf 83 eingestellt werden, und die Betriebsfrequenz auf 119,278 MHz. Daher wird die Frequenz des optischen Impulses 13 bei 9,9 GHz höher als die Frequenz des kontinuierlichen Lichtes 11.
Als nächstes wird der Aufbau des Anzeigegerätes 7 unter Bezugnahme auf Fig. 4 erklärt. In Fig. 4 sind ein optischer Filter 7A, eine Vorrichtung zur optisch-elektronischen Wandlung 7B (hierin als O/E-Wandler bezeichnet), ein Verstärker 7C, ein Analog-Digitalwandler 7D (hierin als A/D- Wandler bezeichnet), eine Addiervorrichtung 7E und eine Kathodenstrahl-Anzeigevorrichtung 7F (hierin als CRT-Anzeige bezeichnet) dargestellt. Der optische Filter 7A unterdrückt die Frequenzbestandteile mit der Wellenlänge (f0 + fm) und läßt nur die Frequenzbestandteile f0 zum O/E-Wandler 7B durch. Die Frequenzbestandteile f0 werden durch die Tätigkeit des O/E-Wandlers 7B, des Verstärkers 7C, des A/D- Wandlers 7D und der Addiervorrichtung 7E auf der CRT-Anzeige 7F angezeigt. Der Aufbau des Anzeigegerätes 7 ist der gleiche wie der eines herkömmlichen Anzeigegerätes, das in einem herkömmlichen optischen Impulsprüfgerät verwendet wird.

Claims (1)

  1. Vorrichtung zur Bestimmung einer Verzerrungsstelle eines Lichtleiters (10), umfassend:
    eine Lichtquelle (1) zur Erzeugung von kontinuierlichem Licht (11) mit einer Frequenz f0, wobei die Lichtquelle (1) mit dem entfernten Ende (10A) des zu messenden Lichtleiters (10) verbunden ist;
    einen optischen Koppler (2) zur Aufteilung des kontinuierlichen Lichtes (11), das aus einem nahen Ende (10B) des Lichtleiters (10) austritt;
    einen optischen Verstärker (3) zur Verstärkung eines Teils des von der Lichtquelle (1) erzeugten kontinuierlichen Lichtes (11), das durch den optischen Koppler (2) aufgeteilt wurde;
    einen ersten optischen Schalter (4) zur Erzeugung eines ersten Lichtimpulses (12) durch Umschaltung des aus dem optischen Verstärker (3) austretenden kontinuierlichen Lichtes (11);
    eine optische Frequenzverschiebungseinrichtung (5) zur Erzeugung eines zweiten optischen Impulses (13), der Frequenzbestandteile (f0 + fm) hat, die auf dem ersten optischen Impuls (12) basieren;
    einen zweiten optischen Schalter (6) zur Einspeisung des zweiten optischen Impulses (13) in das nahe Ende des Lichtleiters (10B);
    ein Anzeigegerät (7) zur Anzeige des aus dem nahen Ende (10B) des Lichtleiters (10) über den optischen Koppler (2) und den zweiten optischen Schalter (6) austretenden kontinuierlichen Lichtes (11) mit der Frequenz f₀; und
    einen Taktsteuerschaltkreis (8) zur Steuerung des Betriebstaktes des ersten und zweiten Schalters (4, 6) und der optischen Frequenzverschiebungseinrichtung (5).
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