DE68913369T2

DE68913369T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Beurteilen einer optischen Faser mit Brillouin Verstärkung.

Info

Publication number: DE68913369T2
Application number: DE68913369T
Authority: DE
Inventors: Tsuneo Horiguchi; Mitsuhiro Tateda
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1988-06-24
Filing date: 1989-06-23
Publication date: 1994-07-07
Anticipated expiration: 2009-06-24
Also published as: DE68913369D1; EP0348235A2; CA1327898C; EP0348235B1; USRE34972E; JPH026725A; JP2589345B2; EP0348235A3; US4997277A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und eine Vorrichtung zum Beurteilen verschiedener Eigenschaften einer optischen Faser entlang ihrer Längsrichtung, zu denen der optische Verlust (optische Dämpfung) der optischen Faser, der relative Brechungsindex zwischen Ader und Mantel, der Aderdurchmesser, die Änderungen bei mechanischen Belastungen der optischen Paser und der Einfluß von Temperaturänderungen auf die optische Faser gehören.
Als Mittel zur Bestimmung der Verteilung des Verlustes einer optischen Faser entlang ihrer Längsrichtung ist schon die optische Zeit-Bezirk-Reflexmessung (im Folgenden als OTDR bezeichnet) vorgeschlagen worden bei der die Rayleigh- Lichtrückstreuung Festgesrellt wird, die die optische Faser erzeugt (vgl beispielsweise M K Barnoski et al., Appl. Opt., 1977 Band 16, Seiten 2375 bis 2379, "Optical time domain reflectometer". Dieses Verfahren ist über 10 Jahre verbessert worden, seit es vorgeschlagen wurde, und zur Zeit ist es eine unverzichtbare Technik zur Einrichtung eines optischen Fernmeldenetzes und zur Instandhaltung desselben. Ebenfalls vorgeschlagen worden ist eine optische Frequenz-Bezirk- Reflexmessung (nachstehend als OFDR bezeichnet), bei der die Rayleigh-Lichtrückstreuung in Frequenzbezirken analysiert wird, während das OTDR-Verfahren Zeitbezirke analysiert vgl. beispielsweise F P Kapron et al., Tech. Digest of IOOC'81, 1981, Seite 106, "Aspect of optical frequency-domain reflectometry"). Diese OTDR- und OFDR-Verfahren haben fast ihre Vervollkommnung erreicht.
Da jedoch die Stärke des Rückstreu-Lichts sehr schwach ist, ist es im wesentlichen schwierig, die Genauigkeit der Messung zu erhöhen, selbst wenig das Signal/Stör-Verhältnis durch eine einen Mittelwert bildende Vorrichtung angehoben wird.
Typische Werte meßbarer optischer Einweg-Verluste kommerziell erhältlicher OTDR-Geräte liegen bei 20 dB, wenn die optische Eingangsleistung innerhalb der Testfaser um ein 1 mW beträgt; die Entfernungsauflösung beträgt 100 m (optische Impulsbreite = 1 ms) und die mittlere Verarbeitungszeit liegt im Bereich einer Minute. Um den Dynamikbereich aufzuweiten (d.h., die maximal meßbare optische Dämpfung in einer optischen Faser), ist es erforderlich, Großbereichslaser hoher Leistung, wie sie von YAG-Lasern geliefert werden, zu verwenden, und/oder Zugeständnisse bei der räumlichen Auflösung und/oder der Meßzeit zu machen.
Überdies ist der Betrag des an der Lichteintritts- Stirnfläche reflektierten Lichtes der Testfaser oder der Verbinder in der optischen Übertragungsleitung um drei bis vier Größenordnungen größer als der Betrag der Rayleigh- Lichtrückstreuung, wodurch es zu einem Sättigungsphänomen im Photodetektor kommt. Aus diesem Grund kann das Rückstreulicht nicht über eine gewisse Entfernung übei dem Reflexionspunkt gemessen werden, und so bildet sich eine songenannte tote Zone.
Ein Versuch zur Bestimmung der Querbeanspruchung einer optischen Faser wird berichtet von M. C. Farries et al., wobei in einer optischen Faser Raman-Streuungsverstärkung beobachtet wurde wann sich zweierlei Licht verschiedener wellenlänge gegeneinander in der optischen Faser ausbreitet (Tech. Digest in OFS (Symposium of Optical Fiber Sensing) '84, Seiten 121 bis 132, betitelt mit: "DISTRIBUTET SENSING USING STIMULATET RAMAN INTERACTION IN A MONOMODE OPTICAL FIBER") von M.C. Farries et al. Obwohl nach diesem Report die Änderung der Kurvenform aufgrund einer Querbeanspruchung festgestellt wurde, gibt es keine quantitative Beziehung zwischen der Querbeanspruchung und der Änderung der Kurvenform, und es gelang nicht, die Stelle festzustellen, an der die Querbeanspruchung stattfand. Das liegt daran, daß die in dem genannten Report verwendete Technik den Polarisationseffekt der optischen Raman-Verstärkung verwendet; jedoch ist es schwierig, einen zweifach durchlässigen integrierten Polarisationszustand in Ausdrücken der Beanspruchung der Faser zu interpretieren.
Folglich bedeutet es einen Vorteil bei der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzusehen, die die Eigenschaften einer optischen Faser beurteilt, wodurch es möglich wird, mit hoher Genauigkeit die Verteilung verschiedener Eigenschaften der optischen Faser entlang ihrer Längsrichtung zu bestimmen, wozu der optische Verlust der optischen Faser, der relative Brechungsindex zwischen Ader und Mantel, der Aderdurchmesser, die Änderungen bei mechanischen Belastungen der optischen Faser und der Einfluß von Temperaturänderungen auf die optische Faser gehören.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindungen besteht darin bin Verfahren und eine Vorrichtung zur Beurteilung der optischen Dämpfungskennlinie zu schaffen, dessen Dynamikbereich größer ist als derjenige bei herkömmlichen OTDR-Techniken, der 10 dB oder größer ist, selbst wenn Laser verwendet werden die nur über wenige mW Lichtleistung verfügen.
Um diese Vorteile zu erzielen, macht die vorliegende Erfindung Gebrauch von einer nichtlinearen Wechselwirkung zwischen dem ersten modulierten Lichtsignal aus der ersten Lichtquelle und dem aus einer zweiten Lichtquelle, die sich gegeneinander in der optischen zu untersuchenden Faser ausbreiten, d.h., sog. Brillouin-Lichtverstarkung, und analysiert die Kurvenform des zweiten Lichtsignals, das durch die Brillouin- Lichtverstärkung beeinflußt ist.
Das Prinzip der Brillouin-Lichtverstärkung ist das folgende. Wenn Licht auf eine Substanz wie eine optische Faser fällt, läßt das einfallende Licht eine akustische Welle entstehen, und gleichzeitig erzeugt die akustische Welle Licht (Stokes-Licht) mit einer Frequenz, die unten der des einfallenden Lichtes liegt. Wenn die Stärke des einfalleiden Lichtes weiterhin ansteigt, wird starkes Stokes-Licht mit kohärenter Phase in entgegengesetzter Richtung zu dem einfallenden Licht verstreut. Dies ist das Phänomen der induzierten Brillouin-Lichtverstärkung.
Wenn folglich die optische Frequenz entweder des ersten oder des zweiten Lichtsignals gleich der des der optischen Frequenz des Stokes-Lichtes ist, kann dar Lichtsignal durch die induzierte Brillouin-Ausbreitung, wie oben erwähnt, verstärkt werden.
Wie oben erläutert, ist in der vorliegenden Erfindung eine optische Faser gekennzeichnet durch die Änderung der Kurvenform des Lichtsignals aufgrund des nicht-linearen Effekts der Brillouin-Lichtverstärkung und folglich ist die vorliegende Erfindung vollständig anders als herkömmliche Techniken wie OTDR, bei der die optische Verlustverteilung in einer optischen Faser entlang ihrer Längsrichtung durch Messung der Rayleigh- Lichtrückstreuung beurteilt wird, die durch einen linearen Streuungsprozess erzeugt wird.
Außerdem unterscheidet sich die vorliegende Erfindung vollständig von der Technik, die in dem oben genannten Farries Report beschrieben ist. In der Farries Technik werden die Polarisationseffekte bei der Raman-Verstärkung verwendet, während die vorliegende Erfindung Brillouin-Verstärkung verwendet die sowohl über Polarisationszustände gemittelt ist als auch die Änderung der Brillouin-Frequenzverschiebung aufgrund der Fasereigenschaften verwennet.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung ist im Anspruch 1 oder im Anspruch 2 angegeben.
Bei der Feststellung des zweiten Lichtsignals, das hier Brillouin-lichtverstärkt ist, kann die Beurteilung der Eigenschaften der optischen Faser durch Änderung des Polarisationszustandes von wenigstens einem der Lichtsignale, die das erste Lichtsignal und das zweite Lichtsignal umfassen, während einer Messung aus einer Vielzahl von Messungen durchgeführt werden, um das zweite Lichtsignal festzustellen, das hinsichtlich des relativen Polarisationszustandes des ersten Lichtsignals und des zweiten Lichtsignals Brillouin- lichtverstärkt ist, und um dann die Änderung der Kurvenform in Zeit oder Amplitude und die Phasenänderungen des zweiten Lichtsignals zu analysieren.
Die Verfahren können des weiteren folgende Verfahrensschritte umfassen:
Zuweisen von f1 und f2 für die betreffenden optischen Frequenzen des ersten Lichtsignals und des zweiten Lichtsignals, so daß die Frequenzen f1 und f2 der Beziehung f1 - f2 = fB genügen (worin fB die Brillouin-Frequenzvetschiebung ist);
Feststellen des zweiten Brillouin-lichtverstärkten Lichtsignals, um die zeitabhängige Kurvenform WA des zweiten Lichtsignals zu bekommen;
Zuweisen von f1' und f2' für die betreffenden optischen Frequenzen der ersten Lichtsignals bzw. des zweiten Lichtsignals, so daß die Frequenzen f1' und f2' der Beziehung f1' - f2' = fB genügen;
Feststellen des zweiten Brillouin-verstärkten Lichtsignals, um die zeitabhängige Kurvenform WB des festgestellten zweiten Lichtsignals zu bekommen und
Errechnen des arithmetischen Mittels oder des geometrischen Mittels der Kurvenformen WA und WB, um die Eigenschaften der optischen Faser zu beurteilen.
Das erste Lichtsignal aus der ersten Lichtquelle kann amplitudenmoduliert oder frequenzmoduliert sein in Form von Impulsen, und das zweite lichtsingnal aus der zweiten Lichtquelle hat eine konstante Amplitude und eine konstante Frequenz, ohne moduliert zu sein, und wobei Verlustverteilungseigenschaften und Faserdurchmesser-Verteilungseigenschaften der optischen Faser als eine ansteigende Verteilung logarithmischer Ausdrücke einer zeitabhängigen Amplitudenänderung des festgestellten zweiten Lichtsignals ausgedrückt werden kann, welches Brillouin- lichtverstärkt ist. Dieses Verfahren kann folgende Verfahrensschritte aufweisen:
Festlegen der Freguenzdifferenz fB = f1 - f2 zwischen den optischen Frequenzen f1 und f2 des Lichts aus der ersten Lichtquelle und des Lichts aus der zweiten Lichtquelle für eine Vielzahl von Werten fB1, fB2;
Feststellen einer zeitabhängigen Kurvenform des zweiten Lichtsignals, das Briliouin-lichtverstärkt ist für jeden festgelegten Wert;
Zu jeder Position der zu messenden optischen Faser die Licht-Frequenzdifferenz (Maximum der Brillouin-Verstärkungs- Frequenzverschiebung), bei der der Brillouin-Lichtverstärkungs- Effekt ein Maximum aus einer Vielzahl von zeitabhängigen Kurvenformen aufweist; und
Beurteilung der Belastungsverteilung, der Temperaturverteilung und der relativen Differenzverteilung des Brechungsindex in der zu messenden optischen Faser von der Positionsabhängigkeit von der maximalen Brillouin-Verstärkungs- Frequenzverschiebung in der optischen Faser.
Verlustverteilung und Faserdurchmesser in der optischen Faser können beurteilt werden durch Aufweitung einer Schwingungslinienbreite von wenigstens einer der Lichtquellen, die die erste und die zweite Lichtquelle einschließen, um so breiter als die Brillouin-lichtverstärkungs-Bandbreite der zu messenden optischen Faser zu sein.
Das erste Lichtsignal aus der ersten Lichtquelle kann amplitudenmoduliert oder frequenzmoduliert sein in Form von Impulsen, und das zweite Lichtsignal aus der zweiten Lichtquelle hat eine konstante Amplitude und eine konstante Frequenz ohne moduliert zu sein, und wobei Verlustverteilungseigenschaften und Faserdurchmesser-Verteilungseigenschaften der optischen Faser als eine ansteigende Verteilung logarithmischer Ausdrücke einer zeitabhängigen Amplitudenänderung des festgestellten zweiten Lichtsignals, welches Brillouin-lichtverstärkt ist, ausgedrückt werden können. Diese Verfahren können folgende Verfahrenschritte aufweisen:
Festlegen der Frequenzdifferenz fB = f1 - f2 zwischen den optischen Ftequenzen f1 und f2 und dem Licht aus der ersten Lichtquelle und aus der zweiten Lichtquelle zu einer Vielzahl von Werten fB1, fB2;
Feststellen einer zeitabhängigen Kurvenform des zweiten Lichtsignals, das Briilouin-lichtverstärkt ist, für jeden festgelegten Wert;
Zu jeder Position der zu messenden optischen Faser die Licht-Frequenzdifferenz (maximale Brillouin-Verstärkungs- Frequenzverschiebung) feststellen, bei der der Brillouin- Lichtverstärkungseffekt ein Maximum auf der Vielzahl von zeitabhängingen Kurvenformen aufweist und
Beurteilen der Beanspruchungsverteilung, der Temperaturverteilung und der relativen Differenzverteilung des Brechungsindex in der optischen zu messenden Faser von der Positionsabhängigkeit der maximalen Brillouin-Verstärkungs- Frequenzverschiebung in der optischen Faser.
Die Verlustverteilung und die Verteilung des Aderndurchmessers in der optischen Faser kann beurteilt werden durch Ausweitung einer Linienbreite wenigstens einer der Lichtquellen, zu denen die erste und die zweite Lichtquelle gehört, um so breiter auszufallen als die Bandbreite der zu messenden optischen Faser.
Das erste Lichtsignal aus der ersten Lichtquelle kann amplitudenmoduliert oder frequenzmoduliert sein in Form von Impulsen, und das zweite Lichtsignal aus der zweiten Lichtquelle hat eine konstante Amplitude und eine konstante Frequenz, ohne moduliert zu sein, und wobei die Verlustventeilungseigenschaften und die Verteilung der Aderndurchmesser-Eingenschaft der optischen Faser als ansteigende Verteilung eines logarithmischen Ausdrucks einer zeitlichen Amplitudenänderung des festgestellten zweiten Lichtsignals, das Brillouin-lichtverstärkt ist, beurteilt werden. Die Verlustverteilung und die Aderndurchmesser-Verteilung in der optischen Ader können bewertet werden durch Aufweitung einer Schwingungslinienbreite wenigstens einer der Lichtquellen, zu denen die erste und die zweite Lichtquelle gehören, um so breiter auszufallen als die Bandbreite der Brillouin-Lichtverstärkung der zu messenden optischen Faser.
Das Verfahren kann die folgende Verfahrensschritte beinhalten:
Festlegen der Frequenzdifferenz fB = f1 - f2 zwischen den optischen Frequenzen f1 und f2 des Lichts aus der ersten Lichtquelle und der zweiten Lichtquelle, für eine Vielzahl von Werten fB1, fB2;
Feststellen einer zeitabhängigen Kurvenform des zweiten Lichtsignals, das Brillouin-lichtverstärkt ist, für jeden festgelegten Wert;
Herausfinden der optischen Frequenzdifferenz (maximale Brillouin-Verstärkungs-Frequenzvenschiebung) zu jeder Position der zu messenden optischen Faser, bei der der Brillouin- Lichtverstärkungseffekt ein Maximum hat, bei einer Vielzahl von zeitabhängigen Kurvenformen und
Beurteilung der Beanspruchungsverteilung, der Temperaturverteilung und der Verteilung der relativen Brechungsindexdifferenz in der zu messenden optischen Faser von der Positionsabhängigkeit der maximalen Brillouin-Verstärkungs- Frequenzverschiebung in der optischen Faser.
Die Verlustverteilung und die Aderndurchmesser-Verteilung in der optischen Faser kann beurteilt werden durch Aufweitung einer spektralen Linienbreite bei wenigstens einer der Lichtquellen, zu denen die erste und die zweite Lichtquelle gehören, um so breiter auszufallen als die Bandbreite der Brillouin-Lichtverstärkung der zu messenden optischen Faser.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Beurteilung der Eigenschaften einer optischen Faser vorgesehen der in Anspruch 9 angegeben ist.
Die optischen Frequenzsteuermittel können hier eine stabilisierte Spannungsquelle mit zwei Ausgängen sein, die eine konstante Spannung E1 und eine variable Spannung E2 = E1 + ΔE liefern oder es kann eine stabilisierte Stromquelle mit zwei Ausgängen sein, die einen konstanten Strom I1 und einen variablen Strom I2 = I1 + ΔI liefern und die Frequenzdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Lichtquelle wird gesteuert durch Anlegen von E1 oder I1 an eine der Lichtquellen, zu denen die erste und die zweite Lichtquelle gehören, und durch Anlegen von E2 und I2 an die andere der beiden Lichtquellen.
Die optischen Frequenzsteuermittel haben zwei unabhängige optische Frequenzsteuerabschnitte, nämlich einen ersten und einen zweiten, wobei der erste Frequenzsteuerabschnitt eine variable stabilisierte Spannungsquelle oder eine variable stabilisierte Stromquelle zur Anderung der Spannung oder zur Änderung des Stromes ist, die oder der an die erste Lichquelle anzulegen sind, um so den Signalpegel zu maximieren oder zu minimieren, der von den Photodetektormitteln und dem zweiten optischen Frequenzsteuerabschnitt, der eine Konstantspannungsquelle oder eine Konstantstromquelle zur Stabilisierung der Frequenz der zweiten Lichtquelle unabhängig vom Zustand der ersten Lichtquelle ist.
Die optischen Frequenzsteuermittel können zwei unabhängige optische Frequenzsteuerabschnitte aufweisen nämlich einen ersten und einen zweiten, wobei der erste optische Frequenzsteuerabschnitt eine variable stabilisierte Spannungsquelle oder eine variable stabilisierte Stromquelle ist, um ein Schwebungssignal auf der Basis einer Frequenzdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Lichtquelle unter Signalen festzustellen, die von den Photodetektormitteln festgestellt werden, und zum Ändern der Spannung oder des Stromes, die an die erste Lichtquelle anzulegen sind, so daß die Frequenzdifferenz zwischen einer vorbestimmten Bezugs-Schwebungsfrequenz und einer aktuell festgestellten Schwebungsfrequenz zu Null wird, und der zweite optische Frequenzsteuerabschnitt ist eine Konstantspannungsquelle oder eine Konstantstromquelle zur Stabilisierung der Frequenz der zweiten Lichtquelle unabhängig vom Zustand der ersten Lichtquelle.
Überdies kann die Vorrichtung zur Beurteilung der Eigenschaften einer optischen Faser folgende Mittel enthalten:
eine erste Lichtquelle, die ein erstes Lichtsignal in Form modulierten Lichtes emittiert;
eine zweite Lichtquelle, die ein zweites Lichtsignal emittiert;
einer optischen Frequenzsteuereinrichtung, die die Licht- Frequenzdifferenz zwischen dem ersten Lichtsignal und dem zweiten Lichtsignal steuert;
Mitteln, die das zweite Lichtsignal in ein Ende der zu messenden Faser einkoppeln;
ein Licht-Richtkoppler, der das erste Lichtsignal in das andere Ende der zu messenden optischen Faser einkoppelt und der das zweite Lichtsignal auf der anderen Seite der optischen Faser auskoppelt;
ein optisches Frequenzfilter, das das Brillouin- lichtverstärkte zweit Lichtsignal aus dem Licht-Richtkoppler empfängt, um das Brillouin-lichtverstarkte zweite Lichtsignal in einer solchen Weise zu filtern, daß das Licht die Frequenz des von der Brillouin-lichtverstärkten zweiten Signalquelle durchläßt, aber das Licht mit der Frequenz des ersten Signals nicht durchläßt;
einen Photodetektor, zur Umsetzung eines Ausgangslichts aus dem optischen Frequenzfilter in ein elektrisches Signal und
einem Signalverarheiter zur Verarbeitung und Analyse zeitabhängiger Kurvenformen oder Amplituden und Phasen des elektrischen Signals aus dem Photodetektor.
Die optischen Frequenzsteuermittel können hier eine stabilisierte Spannungsquelle mit zwei Ausgängen sein, die eine konstante Spannung E1 und eine variable Spannung E2 = E1 + ΔE oder eine stabilisierte Stromquelle mit zwei Ausgängen, die einen konstanten Strom I1 und einen variablen Strom I2 = I1 + ΔI, und die Differenzfrequenz zwischen der ersten und der zweiten Lichtquelle wird gesteuert durch Anlegen von E1 oder I1 an eine der Lichtquellen zu denen die erste und die zweite Lichtquelle oehört, und E2 und I2 an die andere dem beiden Lichtquellen.
Die optischen Frequenzsteuermittel können zwei unabhängige optische Frequenzsteuerabschnitte aufweisen, nämlich einen ersten und einen zweiten, wobei der erste Frequenzsteuerabschnitt, eine variable stabilisierte Spannungsquelle odei eine variable stabilisierte Stromquelle zur Änderung der Spannung oder des Stromes, der an die erste Lichtquelle anzulegen ist, um so den Signalpegel zu maximierten oder zu minimieren, der von dem Photodetektor und dem zweiten optischen Frequenzsteuerabschnitt festgestellt wird, der eine konstante Spannungsquelle oder eine konstante Stromquelle zur Stabilisierung der Frequenz der zweiten Lichtquelle unabhänging vom Zustand der ersten Lichtquelle ist.
Zusätzlich kann diese Vorrichtung zur Beurteilung der Eigenschaften einer optischen Faser folgendes beinhalten.
Eine erste Lichtquelle, die ein erstes Lichtsignal in Form modulierten Lichtes emittiert;
Eine zweite Lichtquelle, die ein zweites Lichtsignal emittiert;
Eine optische Frequenzsteuereinrichtung, die die Licht- Frequenzdifferenz zwischen dem ersten Lichtsignal und dem zweiten Lichtsignal steuert;
Einen Licht-Richtkoppler, der das erste Lichtsignal in das andere Ende der zu messenden optischen Faser einkoppelt und der das zweite Lichtsignal auf der anderen Seite der optischen Faser auskoppelt;
Einen Licht-Frequenzfilter, das das Brillouin- lichtverstärkte zweite Lichtsignal aus dem Licht-Richtkoppler empfängt und das das Brillouin-lichtverstärkte zweite Lichtsignal in solcher Weise filtert, daß das Licht mit einer Frequenz des Brillouin-lichtverstärkten zweiten Lichtsignals durchgelassen wird, aber nicht das Licht der Frequenz des ersten Signals;
Ein Photodetektor zur Umsetzung eines Ausgangslichtes aus dem Licht-Frequenzfilter in ein elektrisches Signal;
Signalverarbeitungsmittel zur Verarbeitung und zum Analysieren zeitabhänngiger Kurvenformen oder Amplituden und Phasen des elektrischen Signals aus dem Photodetektor;
Mittel zur Änderung des Polarisationszustandes wenigsten einer der Lichtquellen, zu denen die erste und die zweite Lichtquelle gehört.
Die Licht-Frequenzsteuerung kann eine stabilisierte Spannungsquelle mit zwei Ausgängen sein, die eine konstante Spannung E1 und eine variable Spannung E2 = E1 + ΔE ausgibt oder eine stabilisierte Stromquelle mit zwei Ausgängen, die einen Konstantstrom I1 liefert und einen variablen Strom I2 = I1 + ΔI, und die Frequenzdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Lichtquelle wird durch Anlegen von E1 oder I1 an eine der Lichtquellen, zu denen die erste und die zweite Lichtquelle gehört, und durch Anlegen von E2 und I2 an die andere der beiden Lichtquellen erreicht.
Die Licht-Frequenzsteuerung kann zwei unabhängige Frequenzsteuerabschnitte aufweisen, nämlich einen ersten und einen zweiten, wobei der erste Lichtfrequenz-Steuerabschnitt eine variable stabilisierte Spannungsquelle oder eine variable stabilisierte Stromquelle ist die die Spannung oder den Strom der zu versorgenden ersten Lichtquelle ändert um so den Signalpegel zu maximieren oder zu minimieren, der von dem Photodetektor festgestellt ist, und wobei de zweite Lichtfrequenz-Steuerabschnitt eine Konstantspannungsquelle oder eine Konstantstromquelle zur Stabilisierung der Frequenz der zweiten Lichtquelle unabhängig vom Zustand der ersten Lichtquelle ist.
Die obigen und weitere Gegenstände, Effekte, Merkmale und Vorteile der vorliegende Erfindung werden deutlicher aus der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung.
Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm, das eine Anordnung des Ausführungsbeispiels 1 nach der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 2 ist ein Kurvenformdiagramm, das ein Beispiel einer Kurvenform veranschaulicht, welches gemessen worden ist, nach der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ist ein Blockschaltbild, das ein Ausführungsbeispiel der Signalverarbeitunngsvorrichtung darstellt, die in Fig. 1 gezeigt ist;
Fig. 4 ist ein Schaltbild, das ein Ausführungsbeispiel der Licht-Frequenzsteuerung gemäß Fig. 1 darstellt;
Fig. 5 ist ein schematisches Diagramm, das eine Anordnung des Ausführungsbeispiels 2 nach der vorliegenden Erfindung darstellt;
Figuren 6 und 7 sind Blockschaltbilder, die zwei Ausführungsbeispiele der Licht-Frequenzsteuerung zeigen;
Fig. 8 ist ein schematisches Diagramm, das eine Anordnung des Ausführungsbeispiels 3 nach der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 9 ist ein schematisches Diagramm, das eine Anordnung eines Ausführungsbeispiels 4 nach der vorliegenden Erfindung darstellt;
Figuren 10A bis 10C sind erläuternde Diagramme zur Erläuterung des Polarisationseffekts bei zu messenden Kurvenformen;
Fig. 11 ist Kurvenformdiagramm, das ein Beispiel von Kurvenformen veranschaulicht die beobachtet werden, wenn die Licht-Frequenzdifferenz Δf zwischen dem ersten und dem zweiten Lichtsignal verändert wird;
Fig. 12 ist ein charkteristischer Graph, der eine Beziehung zwischen einer Position z in einer optischen Faser und eine Licht-Frequenzdifferenz zwischen dem Licht des ersten und des zweiten Signals (entsprechend dem relativen Brechungsindex zwischen Ader und Mantel der optischen Faser) bei der sich ein Maximum des Lichtsignalpegels einstellt;
Fig. 13 ist ein charakteristischer Graph, der eine gemessene Kurvenform und dessen optimale Annäherungskurve einer optischen Faser darstellt, wobei der Aderdurchmesser entlang der Längsrichtung schwankt;
Figuren 14A bis 14F sind Kurvenformdiagramme, die verschiedene Modulationskurvenformen des ersten Lichtsignals darstellen;
Fig. 15 ist ein charakteristischer Graph, der die Beanspruchungsabhängigkeit der Brillouin-Frequenzverschiebung veranschaulicht;
Fig. 16 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel des Aufbaus eines Mach-Zehnder-Interferometers darstellt;
Figuren 17A und 17B sind charakteristische Graphen, die die Übertragungskennlinie des Mach-Zehnder-Interferometers darstellen; und
Fig. 18 ist ein Kurvenformdiagramm, das ein Beispiel einer Kurvenform darstellt, die nach der vorliegenden Erfindung gemessen worden ist.

Ausführungsbeispiel 1

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel 1 einer Vorrichtung zum Beurteilen, nach der vorliegenden Erfindung. In Fig. 1 bedeutet Bezugszeichen 1 die erste Lichtquelle die ein gepulstes Licht emittiert das impulsförmig amplitudenmoduliert oder frequenzmoduliert ist, und die Lichtquelle 1 emittiert ein Licht, das eine schmale Spektrum-Linienbreite aufweist. Die erste Lichtquelle 1 kann folgendermaßen aufgebaut sein. Das Licht aus einem Einmoden-Longitudinalwellenlaser, der ein YAG-Laser im Dauerstrich-(CW)-Betrieb sein kann odei ein DFE-Laser im CW- Betrieb, wird von einem ansteuernden akusto-optischen Modulator in gepulster Form amplitudenmoduliert. Im anderen Falle kann das gepulste Licht durch Injizieren eines Stromes in einen Einmoden- Longitudinalwellenlaser erzeugt werden, beispielsweise mit einem DFB Laser im CW-Betrieb. Bezugszeichen 2 bedeutet die zweite frequenz-abstimmbare Lichtquelle im CW-Betrieb mit einer schmalen Spektral-Linienbreite, wie ein YAG-Laser oder ein DFB-Laser. Bezugszeichen 3 bedeutet eine optische Faser, die untersucht bzw. gemessen werden soll, 4 einen Licht-Richtkoppler, 5 einen Photodetektor, beispielsweise einen Ge-APD (Lawinen-Photodiode). Bezugszeichen 6 bedeutet eine Signalverarbeitungseinheit, die das elektrische Signal aus dem Photodetektor 5 empfängt und dieses verarbeitet zur Analyse der Zeitabhängigkeit, der Amplitude und/oder der Phase des Signals. Bezugszeichen 7 bedeutet eine optische Frequenzsteuereinheit zur Steuerung der Frequenzdifferenz zwischen dem Licht aus der ersten und der zweiten Lichtquelle 1 und 2 auf einen gewünschten Wert. Einzelheiten der Einheiten 6 und 7 werden nachstehend beschrieben.
Die Vorrichtung zum Beurteilen arbeitet wie folgt:
ein gepulstes Licht, das von der ersten Lichtquelle 1 emittiert wird, das heißt das erste Lichtsignal S1 ist mit einer optischen Faser 3 gekoppelt, die durch dein Licht-Richtkopple 4. zu untersuchen ist. Andererseits wird das von der zweiten Lichtquelle 2 emittierte Licht d.h., das zweite Lichtsignal S2 wird von dem Ende 3-2 der zu untersuchendein optischen Faser 3 eingekoppelt, so daß auf dem gegenüberliegenden Ende 3-1 der optischen Faser das erste Lichtsignal S1 eingekoppelt wird.
In dieser Stufe wird die Frequenz f1 des ersten Lichtsignals und die Frequenz f2 des zweiten Lichtsignals von der Lichtfrequenz-Steuereinheit 7 gesteuert, um der folgenden Beziehung zu genügen:
f1 - f2 = fB (1).
Hierbei bedeutet fB die Brillouin-Frequenzverschiebung, die der zu untersuchenden optischen Faser 3 innewohnt. Beispielsweise ist bei einer Silikatfaser fB um etwa 13 GHz bei einer Wellenlänge von 1,3 mm. Wenn Gleichung (1) genügt wird, ist das zweite Lichtsignal S2 verstärkt durch das erste Lichtsignal S1 durch den Brillouin-Lichtverstärkungsvorgang. Die Kurvenform des zweiten Lichtsignals S2, die von dem Photodetektor 5 festgestellt wird, kann folgendermaßen hergeleitet werden.
Die Verstärkung g des zweiten Lichtsignals S2 wird aufgrund der Brillouin-Lichtverstärkung an der Position z ausgedrückt durch die folgende Gleichung wenn g-1 < 1:
g = 1 + AP1(z) (2).
Hierin bedeuten A einen Proportionalitätsfaktor, z stellt die Position dar, bei der das erste Lichtsignal S1 (ein gepulstes Signal) sich durch die optische zu untersurhende Faser 3 ausbreitet, geortet wird, wobei das Ende 3-1 der optischen Faser als Bezugspunkt gewählt wird. P1(z) repräsentiert die Lichtleistung des ersten Lichtsignals S1 zur Position z. P2(z) ist die Lichtleistung des zweiten Lichtsignals S2 bei der Position z. Der optische Verlust in der optischen Faser 3 und dessen Länge werden bezeichnet als α (Neper/m) bzw. L(m). Es kann angenommen werden, daß die optischen Verlust des ersten Lichtsignals S1 und des zweiten Lichtsignals S2 identisch sind, da die Frequenzdifferenz zwischen diesen Lichtsignalen ziemlich gering ist. Unter diesem Umständen kann P1(z) und P2(z) folgendermaßen ausgedrückt werden:
P1(z) = P1 (0) exp(-αz) (3-1).
P2 (z) = P2 (L) [-α(L - z)] (3-2). Unter gemeinsamer Betrachtung der Gleichungen (2) und (3) kann mit dem Dämpfungsfaktor exp (-αz) des zweiten Lichtsignals S2 wegen des optischen Faserverlusts zwischen den Punkten o und z sowie die Leistung P2(z) des zweiten Lichtsignals S2, das von dem Photodetektor 5 festgestellt wird, folgende Beziehung ausgedrückt werden:
P2 (z) = g P2(z) exp(-αz)
= P2(L) exp(-αL) + AP1(0) P2(L) exp(-αL) exp(-αz) (4).
Hierbei wird der optische Verlust des Licht-Richtkopplers 4 vernachlässigt. Der erste Ausdruck auf der rechten Seite der Gleichung (4) ist eine Gleichstromkomponente, und der zweite Ausdruck entspricht einer Komponente die durch die Brillouin- Lichtverstärkung angehoben ist. Eine Zeit t, zu der das zweite Lichtsignal S2 Brillouin-verstärkt an der Position z von dem Photodetektor 5 festgestellt wird, wird durch folgende Beziehung ausgedrückt
t = 2z / v (5)
wobei v die Lichtgeschwindigkeit bezeichnet. Die Zeit, zu der das Lichtsignal S1 in die Faser 3 injiziert wird, wird als Ausgangszeit gewählt. Die Kurvenform des empfangenen Lichtsignals bekommt daher die in Fig, 2 dargestellte Form.
In Figur 2 kann der optische Verlust α der zu untersuchenden optischem Faser 3 erhalten werden aus dem Abschwächungsfaktor der Brillouin-verstärkten Komponente oder aus der Differenz zwischen den empfangenen Lichtsignalpegeln zu willkürlich gewählten Punkten. Vergleicht man die vorliegende Erfindung mit der herkömmlichen OTDR, versteht man leicht, daß sie von einander durch folgende Punkte sich unterscheiden:
(1) Der Dämpfungsfaktor der Kurvenform gemäß der herkömmlichen OTDR ist exp (-2αz) und der Signalpegel fällt auf diese Weise schnell ab, während der der vorliegenden Erfindung exp (-αz) ist; auf diese Weise ist der Dämpfungsfaktor des Signalpegels klein.
(2) Wie aus Gleichung (4) ersichtlich, kann bei der vorliegenden Erfindung der empfangene Signalpegel angehoben werden durch Erhöhung der Lichtleistung der zweiten Lichtquelle 2.
Nach der vorliegenden Erfindung kann daher der empfangene Lichtsignalpegel erheblich angehoben werden und auf diese Weise kann die Genauigkeit der Messung verbessert werden, verglichen mit der herkömmlichen OTDR.
In der vorstehenden Erläuterung wird der optische Verlust α in der optischen Faser als einheitlich über die gesamte Faser angenommen. Selbst wenn jedoch der Verlust in der optischen Faser entlang ihrer Längsrichtung nicht einheitlich ist, ist doch die Verteilung des Verlusts in der zu untersuchenden optischen Faser 3 entlang ihrer Längsrichtung durch Verwendung des in Fig. 1 dargestellten Meßsystems bestimmt. Genauer gesagt, eine solche Verlustverteilung kann bestimmt werden gemäß der vorhergehenden Prozedur durch beispielsweise separiertes Messen jedes Intervalls einer derartigen optischen Faser, in dem das Intervall des optischen Verlustes einheitlich ist.
Bezug genommen wird nun auf Fig. 3, in der ein Ausführungsbeispiel der Signalverarbeitungseinheit 6 gemäß Fig. 1 dargestellt ist. In Fig. 3 stellt Bezungszeichen 61 einen A/D- Umsetzer dar, der ein analoges Ausgangssignal vom Photodetektor 5 in ein digitales Signal umwandelt 62 eine GPU zur Verarbeitung der Ausgangssignale aus dem A/D-Umsetzer 81, wie unten erläutert werden wird, 63 eine Ausgabeeinheit, wie beispielsweise eine CRT- Anzeige oder ein Drucker und 64 einen Speicher.
Die gemessene Kurvenform, die in einer Messung von dem Photodetektor 5 gewonnen wurde, ist in Fig. 2 abgebildet. Bezeichnet man den empfangenen Lichtsignalpegel als W, dann kann diese Kurvenform in einer Messung als W(z) ausgedrückt werden, da die Zeit t in folgender Beziehung mit der Positionskoordinate z entlang der zu untersuchenden optischen Faser 3 steht, wie in Gleichung (5) gezeigt. Zahlen und Kurvenformen können aufeinanderfolgend gewonnen werden durch wiederholtes Einkoppeln von Lichtimpulsen in die zu untersuchende optische Faser von der ersten Lichtquelle 1 aus. Auf diese Weise kann die gemessene Kurvenform des k-ten Impulses ausgedrückt werden durch Wk(z) wobei k die laufende Nummer des Impulses repräsentiert. Die gemessene Kurvenform kann überdies als eine Funktion des Operationsparameters der ganzen Beurteilungsvorrichtung dieser Erfindung definiert werden. Mit anderen Worten, die Kurvenform ist eine Funktion einer Frequenzdifferenz Δf (Hz) zwischen der ersten und der zweiten Lichtquelle 1 und 2 und ihrem relativen Polarisationswinkel θ(rad). Folglich wird die allgemeine Form der gemessen Kurvenform als Wk (z, Δf, θ) nachstehend ausgedrückt.
Die gemessene Kurvenform Wk(z, Δf, θ), die von dem Photodetektor erhalten werden, werden in dem A/D-Umsetzer 61 in ein digitales Signal umgewandelt und dann der CPU 62 eingegeben. In der CPU 62 werden verschiedene Vorgänge ausgeführt gemäß den Eigenschaften der zu untersuchenden optischen Faser 3 Beispielsweise werden ein Mittelungsverfahren einer Anzahl gemessener Kurvenformen, deren Δf und θ feststehen, ausgeführt, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Dieser Vorgang wird beispielsweise durch folgende Beziehung definiert:
Um die Verlustverteilung dieser Kurvenform zu erhalten, werden logarithmische Umwandlungen und Differentialprozesse in der CPU 61 ausgeführt. Mit anderen Worten, die Verarbeitung kann ausgedrückt werden durch die folgende Gleichung
α = -d 1n{W(z, Δf, θ)} / dz (Neper/m)
Diese Vorgänge werden fast in gleicher Weise wie die herkömmliche OTDR ausgeführt. Beispielsweise kann die verwendete Signalverarbeitungseinrichtung in einem OTDR-Gerät (OF 152 "FIBER OPTIC TDR") hergestellt von Techtronics in der Signalverarbeitungseinheit 6 verwendet werden.
Überdies kann die Verarbeitung zur Kompensation der Brillouin-Verstärkungsfluktuation abhängig von der relativen Polarisationswinkel zwischen der ersten und der zweiten Lichtquelle 1 und 2 ausgedrückt werden durch:
W(z, Δf) = W (z, Δf, θ) dθ
Zusätzlich wird bei Position z in der zu untersuchenden optischen Faser 3 eine relative Frequenz Δf(z) gewonnen, die die maximale Wellenhöhe zur Verfügung stellt. Das heißt Δf(z), das der folgenden Beziehung genügt, erhält man:
W (z, Δf (z) ≥ W(z, Δf)
43. Physikalische Bedeutung und Erläuterung dieser Vorgänge werden in den folgenden Ausführungsbeispielen erklärt.
Ein Ausführungsbeispiel der Lichtfrequenz-Steuereinheit 7 wird detailliert beschrieben.
Im Allgemeinen kann die Frequenz des Laserlichts gesteuert werden durch Anlegen einer Spannung an die Laservorrichtung und durch Injizieren eines Stromes in die Lasereinrichtung, wobei thermische Effekte oder photoelektrische Effekte, wie beispielsweise Plasmaeffekte oder Wechselwirkungen unter diesen verwendet werden.
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Frequenzsteuereinheit 7, in der die Frequenz durch Steuerung der an die Laservorrichtung angelegten Spannung eingestellt wird. In Fig. 4 wird eine Spannung E1 an die erste Lichtquelle 1 aus einer Konstant-Stromversorgung 41 angelegt, und eine Spannung E2 (= E1 + ΔE) wird an die zweite Lichtquelle 2 von einem Konstant- Stromversorgung 71 angelegt sowie durch eine variable stabilisierte Stromversorgung 72. Durch Anderung von ΔE durch die Steuerung der Stromversorgung 72 kann die relative Frequenz Δf=f1-f2 zwischen der ersten und der zweiten Lichtquelle 1 und 2 auf einen gewünschten Wert gesteuert werden. Δf ist hier proportional zu ΔE innerhalb eines praktikablen Bereichs. In dem Fall beispielsweise eines Ring-YAG-Lasers, Modell 102, hergestellt von Lightwave Electronics Co. gilt: Δf / ΔE = 1,2 GHz/V.

Ausführungsbeispiel 2

Während in dem vorstehenden Ausführungsbeispiel 1 die Frequenzen der ersten und der zweiten Lichtquelle 1 und 2 von der einzigen Frequenzsteuereinheit 7gesteuert werden, können die betreffenden Frequenzen der ersten und der zweiten Lichtquelle 1 und 2 auch separat gesteuert werden durch Anwendung von Zweifrequenz-Steuereinheiten.
Fig. 5 ist ein Diagramm, das das zweite Ausführungsbeispiel nach der Erfindung zeigt. In diesem Ausführungsbeispiel werden die erste Lichtquelle und die zweite Lichtquelle 2 unabhängigen angeordneten Lichtfrequenz-Steuereinheiten 7-1 bzw. 7-2 gesteuert. Die Lichtfrequenz-Steuereinheit 7-1 ist die gleiche, die im Ausführungsbeispiel 1 verwendet wird, mit der Ausnahme, daß sie von einem Ausgangssignal aus dem Photodetektor 5 gesteuert wird. Zusätzlich ist die zweite Lichtquelle 2 spannungs- oder stromgesteuert durch die Lichtfrequenz- Steuereinheit 7-2, so daß die Abweichung der Frequenz f2 von einer vorbestimmten Frequenz f20, d.h., f2 - f20 liegt innerhalb eines vorbestimmten Einstellwertes.
Die Frequenz der ersten Lichtquelle 1 wird andererseits von der Lichtfrequenz-Steuereinheit 7-1 gemäß dem Ausgangssignal aus dem Photodetektor 5 gesteuert, so daß die Frequenzdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Lichtquelle 1 und 2 mit dem gewünschten Wert zusammentrifft. Genauer gesagt, gibt es zwei nützliche Verfahren zur Steuerung der Frequenz. In einem Verfahren wird der Ausgangspegel des Photodetektors 5 maximiert, und in dem anderen Verfahren wird die Frequenz einer Schwebekomponente auf einen vorbestimmten Wert eingestellt.
Fig. 6 zeigt ein spezifisches Ausführungsbeispiel der Anordnung der Lichtfrequenz-Steuereinheit 7-1 zur Maximierung des Ausgangssignalpegels des Photodetektors 5. Die Einheit 7-1 steuert die Ausgangsspannung E(k) der variablen stabilisierten Stromversorgung 74 durch den Signalpegel I (k), der von einem Signalpegelerkenner gewonnen wird, dem das Lichtintensitätssignal aus dem Photodetektor 5 eingespeist wird. Wie schon oben erwähnt, wird, wenn die Frequenzdifferenz Δf = f1 - f2 zwischen der ersten und der zweiten Lichtquelle 1 und 2 mit der Brillouin- Frequenzverschiebung fB die der zu messenden optischen Faser innewohnt das Suchlicht aus der zweiten Lichtquelle 2 Brillouin- verstärkt. Wenn folglich die Bedingung zur Maximierung des Ausgangssignals aus dem Photodetektor 5 beibehalten werden kann, kann die beabsichtigte Messung nach der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden, ohne daß der Frequenzwert fB genau bestimmt wird. Wenn in einem speziellen Beispiel die an die erste Lichtquelle angelegte Spannung E1(k) ist und der von dem Signalpegelerkenner 73 festgestellte Signalpegel I(k) zur Zeit t(k) ist, wird eine Ausgangsspannung E1(k+1) der variablen stabilisierten Stromversorgung 74, d.h., eine zur Zeit t(k+1) an die erste Lichtquelle 1 angelegte Spannung durch die folgende Beziehung bestimmt:
E1(k+1) = E1(k) + A{I(k)-I(k-1)}/{E1(k)-E1(k-1)}, wobei A einen geeigneten positiven Proportionalitätsfaktor repräsentiert. Selbst wenn die Frequenzen der ersten und der zweiten Lichtquelle 1 und 2 so bestimmt sind, daS f2 - f1 = fB eingestellt wird, kann der optische Verlust gemessen werden, wie spater erläutert werden wird. Da in diesem Fall das zweite Lichtsignal seine Energie durch die Brillouin-Wechselwirkung mit dem ersten Lichtsignal verliert, wird der Signalpegel, der von dem Photodetektor 5 festgestellt wird, minimiert, im Gegensatz zu dem vorhergehenden Fall (f1-f2=fB). In einem solchen Fall wird folglich die Lichtfrequenz-Steuereinrichtung 7-1 so gesteuert, daß der von dem Photodetektor 5 festgestellt Signalpegel minimiert wird. In diesem Fall wird als vorangehender Proportionalitätsfaktor A ein negativer Wert ausgewählt.
Figur 7 zeigt ein spezielles Ausführungsbeispiel der Lichtfrequenz-Steuereinheit 7-1 zur Einstellung der Frequenz einer Schwebekomponente des Ausgangssignals aus dem Photodetektor 5 auf eine vorbestimmten Wert.
Wie aus der in Fig. 1 dargestellten Anordnung ersichtlich, wird die Rayleigh-Lichtrückstreuung aufgrund des von der ersten Lichtquelle pulsierend emittierten Lichtes von dem Photodetektor zusammen mit dem Prüflicht festgestellt, das aus der zweiten Lichtquelle 2 stammt. Zu dieser Zeit wird ein Schwebungssignal in dem Photodetektor 5 erzeugt, dessen Frequenz gleich der Frequenzdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Lichtquelle 1 und 2 ist.
Dann wird in der in Fig. 7 dargestellten Anordnung das Ausgangssignal aus dem Photodetektor an einen Schwebungsfrequenzerkenner 75 angelegt, um die Schwebungsfrequenz f(k) zur Zeit t(k) festzustellen. Bezugszeichen 76 bedeutet einen Bezugs- Schwebungsfreguenz-Generator, der eine Bezungs-Schwebungsfrequenz fo liefert. Die Schwebungsfrequenz f(k) und die Bezugs- Schwebungsfrequenz fo werden an einen Subtrahierer 77 angelegt, um eine Frequenzdifferenz Δf = f(k)-fo zu erhalten. Die Frequenzdifferenz Δf wird an eine variable stabilisierte Stromversorgung 78 angelegt, um eine Ausgangsspannung E1 (k) = E1(k-1)+A'Δf zu erzeugen. Diese Ausgangsspannung E1(k) wird an die erste Lichtquelle 1 angelegt, so daß die erste Lichtquelle 1 gesteuert wird, um der Bedingung: Δf = 0 (worin A' eine konstante Zurückkopplung ist) zu genügen.
Während die vorliegende Erfindung beschrieben worden ist unter Verwendung der Lichtfrequenz-Steuereinheiten 7-1 und 7-2 vom Spannungs-Steuerungstyp, können diese auch als stromgesteuerte Typen ausgelegt sein. In diesem Falle sind deren Arbeitsabläufe im wesentlichen mit denen des spannungsgesteuerten Typs identisch, mit Ausnahme der Schaitungsanordnunng.

Ausführungsbeispiel 3

Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel 3 der vorliegenden Erfindung, das mit dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung wie in Fig. 1 dargestellt ist, identisch ist, mit der Ausnahme, daß ein Licht-Frequenzfilter 8 an der Vorderseite dem Photodetektors 5 angeordnet ist. Das Licht-Frequenzfilter 8 läßt das zweite Lichtsignal S2 der Frequenz f2 durch, aber sperrt den Durchgang für das erste Lichtsignals S1 mit der Frequenz f1. Die Arbeitsweisen dieses Ausführungsbeispiels sind fast identisch mit deen des Ausführungsbeispiels 1. Auf diese Weise werden folgende Wirkungen erzielt:
(1) Das Filter 8 verhindert das Auftreten von Rayleigh- Rückstreulicht (Welches gemessen wird mit herkömmlicher OTDR) das erzeugt wird, während das erste Lichtsignal S1 sich längs der zu messenden optischen Faser 3 zum Photodetektor 5 hin ausbreitet und auf diese Weise die Rayleigh-Lichtrückstreuung daran hindert, als Rauschen gegenüber dein Lichtsignal S2 aufzutreten.
(2) Das Filter 8 verhindert die starke Fresnel-Reflexion des ersten Lichtsignals S1, das am Einfallende oder am Emissionsende der zu messenden optischen Faser reflektiert wird und das zu messen ist oder an den Verbindungspunkten in der optischen Faser vom Eintritt in den Photodetektor 5. Wenn ein extrem starkes Signal festgestellt wird, können üblicherweise irgendwelche schwachen Signale unmittelbar nach dem starken Signal wegen der Nachhängigkeit oder des Überschießverhaltens der starken Signale nicht festgestellt werden, weil eine Sättigung des Feststellsystems eintritt. Damit kommt das Problem einer toten Zone auf. Gemäß dem Ausführungsbeispiel 3 dieser Erfindung kann dieses Problem einer toten Zone, die dem herkömmlichen OTDR anhaftet wirksam durch Einfügen des Filters 8 gelöst werden.

Ausführungsbeispiel 4

Fig. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel 4 dieser Erfindung. In Fig. 9 bedeuten Bezugszeichen 9 eine Polarisatonssteuereinrichtung, die den Polarisationszustand des zweiten Lichtsignals S2 steuert. Die Einrichtung 9 ist zwischen der zweiten Lichtquelle 2 und der zu messenden optischen Faser 3 angeordnet. In den Ausführungsbeispielen 1 sind 2, die in den Figuren 1 bzw. 2 dargestellt sind, wird stillschweigend angenommen, daß die Beziehung zwischen dem Polarisationszustand der ersten und der zweiten Lichtquelle 1 und 2 über die gesamte Länge der zu messenden optischen Faser konstant ist. Solch einer Bedingung wird jedoch nur in einer speziellen optischen Faser genügt, die eine polarisationserhaltende optische Faser ist oder eine Mehrmoden-optische Faser, in der der Polarisationszustand zufallsmäßig verteilt ist. Die Verstärkung g aufgrund der Brillouin-Lichtverstärkung weist auch eine Polarisationsabhängigkeit auf, in der Art, daß ein Maximalwert aufkommt, wenn die Polarisationsrichtungen der Lichtsignale S1 und S2 miteinander zusammentreffen, und sie wird einheitlich, wenn die Polarisationsrichtungen senkrecht zueinander stehen. Wenn eine derartige Messung an einer üblichen Einmoden-Faser ausgeführt wird, ist es folglich erforderlich, die Polarisationssteuereinrichtung 9 in der in Fig. 9 dargestellten Weise anzuordnen. Die Verstärkung g kann auf einfache Weise durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:
g = 1 + 0,5 Gmax [1 + B cos (2θ + φ)] (6)
hierbei repräsentiert 1+Gmax die maximale Verstärkung, die man erhält, wenn die Polarisationsrichtungen der Lichtsignale S1 und S2 miteinander zusammentreffen. B und φ sind Beträge, die von z abhängen und B genügt der Beziehung: -1 < B < 1. θ repräsentiert die Polarisationsrichtung des zweiten Lichtsignals S2, wenn es in die zu messende optische Faser eintritt.
Übliche optische Fasern haben eine leichte modale Doppelbrechungseigenschaft. Folglich ändert sich der Polarisationszustand eines Lichtsignals, das sich durch die Faser ausbreitet, abhängig von der Position Z. Die Signalkurvenformen, die man erhält, wenn die übliche optische Faser untersucht wird durch Messungen mit der Vorrichtung des Ausführungsbeispiels 1 oder 3, dargestellt in Fig. 1 oder 8 sind nicht praktisch diese in Figur 2 dargestellten, sondern sie sind in der Weise wie in Fig. 10A dargestellt srhwankend. In den Figuren 10A bis 10C sind die Gleichstromkomponenten weggelassen. Die Abszisse stellt die Zeit dar in Ausdrücken eiiler Position in der optischen Faser gemäß Gleichung (5). Diese Schwankungen geben den Polarisationszustand der Lichtsignale S1 und S2 zu jeder Position z in der optischen Faser wieder.
Die Polarisationssteuereinrichtung 9 kann gebildet sein beispielsweise aus einem Polarisator, der das zweite Lichtsignal S2 aus der Lichtquelle 2 umsetzt in ein linear polarisiertes Licht und aus einem Lambda-Halbe-Blättchen. In diesem Fall kann das zweite Lichtsignal S2 in einer beliebigen Polarisationsrichtung auf die optische Faser 3 einfallen, indem das Lambda-Halbe-Blättchen gedreht wird. Fig. 10A zeigt eine Kurvenform, die man erhält, wenn das zweite Lichtsignal S2 in einer linear Polarisierten Richtung θ auf die optische Faser auftrifft, um in der in Fig. 9 dargestellten Meßvorrichtung gemessen zu werden. Fig. 13 zeigt eine Kurvenform, die man eininlt, wenn das zweite Lichtsignal S2 linear Polarisiert ist in Richtung (θ+π/2), das heißt senkrecht zur Richtung θ, auf die zu messende optische Faser 3 fällt.
Wie aus Gleichung (6) ersichtlich, sind in den Figuren 13A und 10B die Polaritäten der Schwankungen umgekehrt. Wenn die in den Figuren 10A und 10B dargestellten Signalpegel von einer Signalverarbeitungseinheit 6 gemittelt werden, erhält man folglich eine Kurvenform, wie sie in Fing. 10C dargestellt ist. Es stellt sich heraus, daß die Schwankung der in Fig. 10C dargestellten Kurvenfonn beseitigt ist, und daß sich eine begradigte Kurvenform ergibt, die den optischen Verlust in der zu untersuchenden optischen Faser 3 widerspiegelt wie in dem in Fig, 2 dargestellten Fall. Versuche haben bestätigt, daß der Signalpengel um hundertmal höher lag als derjenige, den man bei der herkömmlichen OTDP erhält.
Um die in den Figuren 10A und 10B dargestellten Kurvenformen zu erhalten, wird die Messung gemäß der vorstehencien Erläuterung zweimal ausgeführt, wobei das Lambda-Halbe-Blättchen gedreht wird welches in der Polarisationssteuereinrichtung 9 enthalten ist, um den Polarisationszustand des zweiten Lichtsignals S2 zu ändern. Die in Fig. 10C dargestellte Kurvenform kann im anderen Falle direkt gewonnen werden in dem der Polarisationszustand des zweiten Lichtsignals S2 schnell geändert wird.
Es genügt vollständig, eine Polarisationssteuereinrichtung 9 zu verwenden, um die Polarisationszustände des zweiten Lichtsignals S2 zu ändern, die zusammengesetzt ist aus einer optischen Faser (vorzugsweise einer optischen Faser, die die Polarisation aufrechterhält, die eine Großmoden-Doppelbrechung aufweist), die um eine piezoelektrische Vorrichtung, wie beispielsweise ein PZT gewickelt ist und die periodische oder zufällige Längen- und Seitendruckbeanspruchungen ausübt.
Im anderen Falle sind auch elektrooptische Elemente wie LiNbO&sub3; als schnelle Polarisationssteuereinrichtung 9 vorteilhaft.
Zusätzlich zu der obigen Erläuterung ist anzumerken, daß die Polarisationssteuereinrichtung 9 zwischen der zu messenden optischen Faser 3 und der zweiten Lichtquelle 2 angeordnet ist, um den Polarisationszustand des zweiten Lichtsignals S2 zu ändern. Jedoch kann auch der gleiche Effekt erzielt werden, indem der Polarisationszustand des ersten Lichtsignals S1 geändert wird.
Die Polarisationssteuereinrichtung 9 kann zwischen der ersten Lichtquelle 1 und dem Licht-Richtkoppler 4 angeordnet sein, oder zwischen dem Licht-Richtkoppler 4 und der zu untersuchenden optischen Faser 3. Im anderem Falle kann die Polarisationssteuereinrichtung 9 in der Mitte der zu messenden optischen Faser 3 angeordnet sein, so daß die Poiarisationszustände der beiden Lichtsignale S1 und S2 geändert werden können.

Ausführungsbeispiel 5

Im Ausführungsbeispiel 5 wird das Verfahren dieser Erfindung zur Bestimmung der Verteilung der relativen Brechungsindexdifferenz zwischen Ader und Mantel einer optischen Faser entlang ihrer Längsrichtung bestimmt. Die Brillouin- Frequenzverschiebung fB ändert sich entsprechend dem Material der optischen Faser. Beispielsweise weisen Silikatfasern ein fB von 13 GBz auf mit einer Wellenlänge von 1,3 µm. In optischen Fasern, deren Ader mit GeO&sub2; angereichert ist, fällt fB bei 120 MHz um 0,1% der relativen Brechungsindexdifferenz zwischen Ader und Mantel ab.
Die Verteilung der relativen Brechungsindexdifferenz zwischen Ader und Mantel in Längsrichtung der optischen Faser kann durch Messung bestimmt werden, als eine Funktion einer jeden Position z, wobei die Differenz zwischen den optischen Frequenzen des ersten Lichtsignals S1 und des zweiten Lichtsignals S2 Δf = f1-f2, wenn der empfangene Lichtsignalpegel, der gewonnen wird durch die Meßanordnung nach der vorliegenden Erfindung, wie in Fig. 1, Fig. 8 oder Fig. 9 dargestellt, seinen Maximalwert erreicht.
Genauer gesagt, wird das Messen ausgeführt, indem von den Lichtfrequenzen aus dem ersten Lichtsignal und dem zweiten Lichtsignal die Differenz Δf = f1 - f2 von der Lichtfrequenz- Steuereinheit 7 gebildet wird, und die verschiedenen gemessenen resultierenden Kurvenformen W(z, Δf) werden mit Hilfe der Signalverarbeitungseinheit 6 in einem Speicher 64 der Signalverarbeitungseinheit abgelegt, wie in Fig. 11 dargestellt.
In Fig. 11 zeigen die gestrichelten Linien die Δf- Abhängigkeit des empfangenen Lichtsignals W zu Positionen z1, z2, z3 und z4. Wie aus Fig. 11 ersichtlich, geht daraus deutlich hervor, daß die Werte von Δf einen Maximalwert von W aufweisen, der entsprechend der Position z unterschiedlich ist (ein derartiger Wert wird mit " " bezeichnet). auf diese Weise wird die Analyse der Kurvenform auf der Basis der im Speicher 64 den Signalverarbeitungseinheit 6 gespeicherten Daten ausgeführt, und die Licht-Frequenzdifferenz von dem ersten und dem zweiten Lichtsignal S1 und S2, die einen Maximalwert von W jeweils zu Positionen z aufweist, wird auf diese Weise gewonnen.
Der Wert von , den man auf diese Weise erhält, ist in Fig. 12 schematisch dargestellt. Die Längsrichtungs-Abhängigkeit der relativen Brechungsindexdifferenz zwischen Ader und Mantel kann ans der zuvor genannten Beziehung zwischen dem Wert fB und der relativen Brechungsindexdifferenz zwischen Ader und Mantel hervorgehen.
Das Verfahren zur Messung der Verteilung des Aderndurchmessers in Längsrichtung der zu messenden optischen Faser gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachstehend erläutert. Wenn die spektrale Linienbreite Δf1 und Δf2 der ersten Lichtquelle 1 und zweiten Lichtquelle 2 identisch oder nahezu gleich der der Brillouin-Lichtverstärkungs-Bandbreite ΔfB der zu messenden optischen Faser ist, dann hängt die nach der vorliegenden Erfindung gemessene Kurvenform W(z, Δf) im wesentlichen von der Licht-Frequenzdifferenz zwischen dem ersten Lichtsignal S1 und dem zweiten Lichtsignal S2, Δf = f1 - f2 entsprechend der Verteilung des relativen Brechungsindex zwischen Ader und Mantel in Längsrichtung der optischen Faser ab, wie schon aus Fig. 11 hervorgeht. Um auf diese Weise die Verteilung des Aderdurchmessers in seiner Längsrichtung zu bestimmen, ist es erforderlich, den Einfluß der Verteilung der relativen Brechungsindexdifferenz zwischen Ader und Mantel in Längsrichtung aus der Kurvenform W zu eliminieren. Zu diesem Zwecke reicht es aus, die erste Lichtquelle 1 oder die zweite Lichtquelle 2 zu bewitzen, deren spektrale Linienbreite breiter ist als die Brillouin-Lichtverstäckungs-Bandbreite ΔfB der zu messenden optischen Faser. Die Kurvenform , die auf diese Weise gewonnen wird, wird in Hinsicht auf Δf gemittelt, und hängt dann auf diese Weise nicht von der Verteilung den relativen Brechungsindexdifferenz zwischen Ader und Mantel der optischen Faser in ihrer Längsrichtung ab. Die Kurvenform kann darüberhinaus im anderen Falle gewonnen werden durch Errechnung eines Mittelwertes aus den gemessenen Kurvenfonmen W(z, Δ), während sich der Wert von Δf ändert, das heißt:
wobei die Signalverarbeitungseinheit 6 anstelle der ersten Lichtquelle 1 und/oder der zweiten Lichtquelle 2, die so eine breite spektrale Linienbreite aufweisen verwendet werden.
In einer Meßvorrichtung, wie sie in Fig. 9 dargestellt ist, kann die Messung ohne Einfluß von dem Polarisationszustand des Lichtsignals ausgeführt werden, wie schon vorher erläutert. Die Signalverstärkung durch die Brillouin-Lichtverstärkung ergibt sich dann zu
g = 1 + 0, 5 Gmax (8)
aus Gleichung (6). Genauer gesagt, ist Gmax eine Funktion des relativen Brechungsindex zwischen Ader und Mantel und dem Aderdurchmesser der optischen Faser, aber im allgemeinen kann angenommen werden, daß eine Abhängigkeit nur vom Aderdurchmesser besteht, und auf diese Weise ist Gmax umgekehrt proportional zum Aderdurchmesser. Wenn man davon ausgeht, daß der optische Verlust der zu messenden Faser in Längsrichtung homogen ist, dann stellt die normierte Kurvenform
die Verteilung des Aderndurchmessers dar, 2δa(z)/a, in Längsrichtung der Faser, wobei die in Fig. 13 als durchgehende Linie dargestellte Kurvenform, die in der in Fig. 9 dargestellten Meßvorrichtung, gemessen worden ist, in Übereinstimmung mit den vorangegangenen Verfahrensweisen, und ist die in Fig. 13 als durchgehende Linie dargestellt Kurvenform, die in der in Fig. 9 dargestellten Meßvorrichtung gemäß den vorstehenden Vorgehensweisen gemessen wurde, und W' (z) ist die in Fig. 13 als gepunktete Linie dargestellte Kurvenform, die die durch die Methode der kleinsten Quadrate angenäherte Exponentialfunktion ist und die den Verlust der optischen Faser angibt, der aus der Kurvenform W(z) hervorgeht, und δa(z) ist eine Streuung im Aderndurchmesser und a repräsentiert einen Durchschnittswert des Aderndurchmesser.
In der vorstehenden Erläuterung wird die Verteilung des Aderndurchmessers in Längsrichtung dem Faser auf der Grundlage vom bestimmt, aber die Verteilung des Aderndurchmessers in Längsrichtung kann begonnen werden durch Kompensation des Einflusses der Verteilung der relativen Brechungsindexdifferenz in Längsrichtung auf der gemessenen Kurvenform W(z, Δf), selbstverständlich, wenn die Verteilung der relativen Brechungsindexdifferenz in Längsrichtung bekannt ist.
In der vorstehenden Erläuterung ist davon ausgegangen worden, daß die Intensität des ersten Lichtsignals in Form von Impulsen moduliert ist, aber das erste Lichtsignal S1 kann ein einzelner Impuls oder es können wiederholte Impulse sein, die eine Periode von tc, wie in Fig. 14A dargestellt, aufweisen. In einem solchen Falle kann das Nutzsignal/Störsignal-Verhältnis durch Mittlungsprozesse verbessert werden, die die Signalverarbeitungseinheit 56 ausführt, so daß auf diese Weise genauere Meßergebnisse erzielt werden.
Überdies kann das erste Lichtsignal S1 durch einen Pseudo- Zufallscode (beispielsweise als M-Seriencode) moduliert werden, wie in Fig. 14B dargestellt. Wenn in diesem Falle das festgestellte zweite Lichtsignal S2 einem Korrelationsprozess von der Signalverarbeitungseinrichtung 6 auf der Basis des Prinzips der Korrelationstechnik unterzogen wird, kann das Nutzsignal/Störsignal-Verhältnis in großem Umfang im Verhältnis zur Länge des Codes verbessert werden, wenn man es mit dem in Fig. 14A dargestellten Fall vergleicht (vgl. beispielsweise K. Okada et al, "Optical cabel fault location using correlation technique", Elektron. Lett., Band 16, Seite 629, 1980). Wenn nach der herkömmlichen OTDR schwach zurückgestreutes Licht mit einer starken Fresnel-Lichtreflexion zusammentrifft, kommt das Problem der Linearität der Meßorrichtung auf, und folglich ist es unmöglich, eine befriedigend lange Codelänge anzuwenden. Im Gegensatz dazu kann ein solch starkes Signal wie die Fresnel- Reflexion durch Anwendung des optischen Frequenzfilters 8 in der vorliegenden Erfindung eleminiert werden, wie schon erwähnt, und auf diese Weise kann man mit Vorteil von der Korrelationstechnik Gebrauch machen.
Die gleiche Messung wie die bei der zuvor erläuterten Zeit- Bezirk-Messung kann zudem auch bei der Frequenz-Bezirk-Messung angewandt werden. Das heißt, das erste Lichtsignal kann mit einer Frequenz f amplitudenmoduliert werden durch Änderung der Frequenz f, und man erhält Frequenzkennlinien der Amplitude und der Phase des zweiten Lichtsignals S2, wie in Fig. 14C dargestellt. In diesem Falle tritt das Problem der Linearität in der Feststellvorrichtung nicht auf, und aus gleichen Gründen wie bei der Korrelationstechnik kann eine Messung höchster Präzision erreicht werden.
In der vorstehenden Erläuterung ist das erste Lichtsignal S1 als in jedem Falle amplitudenmoduliertes Licht beschrieben worden, aber es ist auch möglich frequenzmoduliertes Licht als erstes Lichtsignal zu verwenden wie in den Figuren 11D, 11E und 14F dargestellt, die den Figuren 14A, 14B bzw. 14C entsprechen.
In den Figuren 14D bis 14F wird angenommen, daß die Frequenz f1 des ersten Lichtsignals in dem gestrichelten Abschnitt von der Lichtfrequenz-Steuereinheit 7 gesteuert wird, so daß f1-f2-fb innerhalb der Brillouin-Lichtverstärkungs- Bandbreite Δfb der zu messenden optischen Easer liegt. Außerdem wird angenommen, daß die Frequenz f1' des ersten Lichtsignals S1 in anderen Abschnitten als den gestrichelten nicht der vorstehenden Beziehung genügen.
Wenn die Frequenz f1 ist (schraffierter Abschnitt), dann ändern sich die Bedingungen nicht gegenüber jenen bei der Amplitudenmodulation. Das erste Lichtsignal S1 verursacht folglich die Brillouin-Lichtverstärkung des zweiten Lichtsignals S2, wie im vorherigen Fall. Wenn andererseits die Frequenz der ersten Lichtsignals S1 f1' ist (der Abschnitt außerhalb des schraffierten Bereichs), ergeben sich die gleichen Ergebnisse wie bei einem Raumzustand bei der Intensitätsmodulation, bei der das erste Lichtsignal S1 abwesend ist, obwohl das erste Lichtsignal S1 sich durch die zu untersuchende optische Faser ausbreitet, und daher tritt keine Brillouin-Lichtverstärkung auf, da das Lichtsignal S1 und das Lichtsignal S2 nicht den Erfordernissen für die Brillouin-Lichtverstärkung genügen. Das heißt, das bei der Intensitätsmodulation gewonnene Ergebnis ist identisch mit dem von der Frequenzmodulation gewonnenen. Ein durch die Frequenzmodulation erzielter Vorteil ist der, daß die Modulation in einfacher Weise und schnell ausgeführt werden kann, indem der Injektionsstrom ohne einen externen Modulator leicht geändert wird wenn ein Halbleiterlaser, beispielsweise ein frequenzeinstellbarer DFB-Laser oder ein DBR-Laser als Lichtquelle verwendet werden.
Im Falle einer optischen Faser aus Silikat liegt Δfb bei 1 MHz. Folglich reicht es aus, die vorangegangene Frequenz f1' auszuwählen, um so der Bedingung f1'-f1 > 100 MHz zu genügen. In diesem Falle ist die Anderung des Injektionsstromes des Halbleiterlasers etwa in der Größenordnung von 0,1 mA.
Die vorliegende Erfindung ist durch bestimmte Beispiele beschrieben worden, die die Messungen der Verteilung des optischen Verlusts, der relativen Brechungsindexänderung zwischen Ader und Mantel und dem Aderndurchmesser der optischen Faser in ihrer Längsrichtung betreffen. Jedoch ist es auch bekannt, daß die Brillouin-Frequenzverschiebung fB abhängig ist von der Änderung der auf die optische Faser ausgeübten mechanischen Beanspruchung und der Änderung der Temperatur in der optischen Faser.
Fig. 15 ist ein Graph, der ein Beispiel experimenteller Ergebnisse bezüglich der Beziehung zwischen mechanischer Beanspruchung der optischen Faser und Brillouin- Frequenzverschiebung darstellt. Wie aus Fig. 15 ersichtlich, ist die Beanspruchung genau proportional der Brillouin- Frequensverschiebungs-Änderung. Der Proportionalitätsfaktor hängt vom Material der optischen Easer ab, aber jene aus Silikat sind etwa konstant, unabhängig von der Art ihrer Dotierung und des Betrages derselben. Folglich ist es möglich, die Änderungen der auf die optische Faser wirksamen Beanspruchung zu messen und auch deren Temperatur entlang dein Längsrichtung der zu messenden optischen Faser durch Messen des Änderungsbetrages der Brillouin- Frequenzverschiebung fB, bei der der empfangene Lichtpegel des zweiten Lichtsignals S2 ein Maximum hat. Aus der vorstehenden Erklärung wird deutlich, daß der Anderungsbetrag der Brillouin- Frequenzverschiebung fB gemessen werden kann aus dem Änderungsbetrag der Frequenzen der Lichtsignale S1 und S2 aus der ersten Lichtquelle 1 bzw. der zweiten Lichtquelle 2, die sich ändern, so daß der empfangene Pegel des zweiten Lichtsignals S1 maximal wird.
Es versteht sich, daß Änderungen und Abwandlungen von den oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispielen möglich sind, auf die die Erfindung nicht begrenzt ist, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen, der durch die beiliegenden Patentansprüche festgelegt ist.
In dem in den Figuren 1, 8 oder 9 dargestellten Ausführungsbeispiel ist beispielsweise die Vorrichtung mit einem abzweigenden Licht-Richtkoppler 4 ausgerüstet, dieser kann jedoch ersetzt werden durch einen Mach-Zehnder-Interferometer 10, das in Fig. 16 dargestellt und auch zuvor beschrieben worden ist.
In Fig. 16 hat das Mach-Zehnder-Interferometer 10 beispielsweise einen Teil P1, der mit der ersten Lichtquelle 1 verbunden ist, eine Ein/Ausgabestelle P3, die mit dem Photodetektor 5 verbunden ist, und eine Ein/Ausgabestelle P2, die mit einem Anschluß verbunden ist, an den sich die zu messende optische Faser 3 anschließt. In diesem Fall wird eine Ein/Ausgabestelle nicht verwendet. Da das Interferometer 10 die in Fig. 17A dargestellte Übertragungskennlinie hat, erreicht das erste Lichtsignal S1 (mit einer Frequenz f1) die optische Faser 3, die ohne Übertragungsverlust in dem Interferometer 10 (zwischen den Ein/Ausgabestellen P1 und P2) zu messen ist, während das zweite Lichtsignal S2 (mit einer Frequenz f2) ebenfalls auf den Photodetektor 5 ohne jeglichen Übertragungsverlust im Interferometer 10 auftrifft (zwischen den Ein/Ausgabestellen P2 und P3). Dies führt zu einer wesentlichen Herabsetzung des Einfügungsverlustes, verglichen mit dem, den man beobachtet, wenn die in den Figuren 1, 8 und 9 dargestellten verzweigenden Licht-Richtkoppler 4 verwendet werden.
In diesem Fall wird das Fresnel-Reflexionslicht und das der Rayleigh-Lichtstreuung festgestellt, weil das erste Lichtsignal S1 eine Frequenz von f1 hat und daher nicht den Photodetektor 5 erreicht, sogar wenn das Licht-Frequenzfilter 8 nicht verwendet wird, so daß nur das zweite Lichtsignal S2 mit einer Frequenz f2 festgestellt wird.
Darüber hinaus kann die Kennlinie des Interferometers 10 von dem in Fig. 17A dargestellten Zustand auf den in Fig. 17B dargestellt Zustand umgesohaltet werden, wenn die optische Wegedifferenz zwischen der optischen Strecke I und II des Interferometers 10 verändert wird beispielsweise durch Anwenden einer thermischen Aussetzung einer der beiden optischen Strecken. In diesem Falle kann das optische Interferometer 10 als Äquivalent zu einem Licht-Richtkoppler des 3 dB-verzweigenden Typs benutzt werden in Hinsicht auf das erste Lichtsignal S1, das eine Frequenz von f1 hat.
Im anderen Falle kann in Fig. 17A der gleiche Effekt erreicht werden, selbst wenn die Umsetzung der Frequenz f1 des ersten Lichtsignals S1 auf beispielsweise (f1+f2)/2) erfolgt. In diesem Falle wird die zweite Lichtquelle 2 nicht verwendet, wobei die Vorrichtung zur Beurteilung der Eigenschaften einer optischen Faser nach der vorliegenden Erfindung abgewandelt werden kann bin eine herkömmlichen OTDR zum Messung der Rayleigh- Lichtrückstreuung.
In all des Ausführungsbeispielen nach der vorliegenden Erfindung wurde in der vorstehenden Beschreibung davon ausgegangen, daß die Lichtfrequenz f1 des ersten Lichtsignals S1 zur Markierungszeit der Beziehung genügt, die durch die Gleichung (1) ausgedrückt ist. Wenn jedoch sogar das zweite Lichtsignal S2 als Ersatz für das erste Lichtsignal S1 verwendet wird und wenn letzteres Brillouin-lichtverstärkt wird von dem zweiten Signallicht, d.h., f2 - f1 = fB (9), dann können alle Messungen nach der vorliegenden Erfindung, wie sie oben beschrieben sind, in gleicher Weise ausgeführt werden. In diesem Falle verliert das zweite Lichtsignal S2 seine Lichtleistung durch die Brillouin-Lichtverstärkung des ersten Lichtsignals S1, und folglich zeigt die Kurvenform des zweiten Lichtsignals, das von dem Photodetektor 5 festgestellt wird, eine von der Gleichstromkomponente reduzierte Form, wie in Fig. 18 dargestellt.
In der vorstehenden Beschreibung ist angenommen worden, daß die Leistung des ersten Lichtsignals S1 sich nicht ändert, selbst wenn eine nicht-lineare gegenseitige Beeinflussung vorliegt; gemeint ist die Brillouin-Lichtverstärkung zwischen dem ersten und dem zweiten Lichtsignal S1 und S2. Wenn jedoch der Gewinn aus der Brillouin-Lichtverstärkung hoch ist, dann ist die Änderung der Leistung des ersten Lichtsignals nicht vernachlässigbar, und folglich können die Eigenschaften der optischen Faser, wie optischer Verlust, nicht genau aus der gemessenen Kurvenform ermittelt werden.
Wenn die Bedingung der Gleichung (1) erfüllt ist, wird das zweite Lichtsignal S2 verstärkt, während die Leistung des ersten Lichtsignals S1 vermindert wird. Bei einer einfachen Analyse wird der zweite Ausdruck auf der rechten Seite von Gleichung (4) ausgedrückt durch folgenden Beziehung:
WA(z) = AP1(0) P2(L) exp(-αL) exp(-αL) exp(-Q(z)) 10)
Der Ausdruck exp(-Q(z)) repräsentiert diesen Effekt aufgrund der Verminderung der Leistung des ersten Lichtsignals S1, und dieses führt zu Fehlern bei der Messung des Verlusts in der optischen Faser. Wenn andererseits dem Erfordernis, wie es aus Gleichung (9) hervorgeht, genügt wird, dann wächst im Gegensatz die Leistung des ersten Lichtsignals S1, und somit wird der Ausdruck auf der rechten Seite der Gleichung (4) zu:
WB(z) = AP1(0) P2(L) exp(-αL) exp(-αL) exp(-Q(z)) 11).
Auf diese Weise ist es unmöglich, den Verlust in der optischen Faser aus nur einer Messung von WA(z) oder WB(z) zu beurteilen.
Wie sich aus den Gleichung (10) und (11) ergibt, kann jedoch eine hoch präzise Messung ausgeführt werden, indem zwei Kurvenformen, das sind WA(z) und WB(z), gemessen werden, da der Ausdruck Q(z) eleminiert werden kann durch die Rechnung:
{WA(z) + WB(z)}/2 wenn Q(z) < 1 oder WA(z) WB(z), wenn Q(z) > 1.
Durch Vergleich und Analyse der beiden Ergebnisse, die das Pump- und Prüflicht zur Brillouin-Lichtverstärkung ersetzen, kann eine präzisere Beurteilung der Eigenschaften erzielt werden.
In allen zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen nach der vorliegenden Erfindung wird angenommen, daß die zweite Lichtquelle 2 CW-Licht emittiert, jedoch kann auch die zweite Lichtquelle 2 eine modnlierce Lichtquelle sein, wie die erste Lichtquelle 1. In einem derartigen Fall findet die Brillouin- Lichtverstärkung nur zu Positionen statt (beispielsweise z0), bei denen das erste Lichtsignal S1 (z.B. ein Lichtimpuls), das aus der ersten Lichtquelle 1 emittiert wird, mit dem zweiten Lichtsignal S2 zusammentrifft (z.B. ein Lichtimpuls), das von der zweiten Lichtquelle 2 emittiert wird. Dieses Verfahren ist folglich recht geeignet zum Gewinnen von Informationen über die Änderung des optischen Verlusts in einer optischen Faser, der Temperaturänderung, der Belastungsänderung usw. bei einem bestimmten Punkt (der vorhergehende Punkt z0) in der optischen Faser 3. Der Punkt z0 kann ausgewählt werden mit irgendeinen beliebigen Punkt durch Steuerung des relativen Zeitintervalls zwischen der Emission des ersten Lichtsignals S1 und des zweiten Lichtsignals S2.
Wie zuvor beschrieben, können die Eigenschaften einer zu messenden optischen Faser nach der vorliegenden Erfindung beurteilt werden, indem von dem Brillouin-Lichtverstärkungseffekt unter dem modulierten Lichtsignal, das sich durch die optische Faser ausbreitet, d.h., das erste Lichtsignal und das zweite Lichtsignal, welches sich in entgegengesetzter Richtung in der optischen Faser zum ersten Lichtsignal ausbreitet Gebrauch gemacht wird, und durch Analysieren der Änderung der Kurvenform des zweiten Lichtsignals, das sich aus der Brillouin-Lichtverstärkung untereinander ergeben hat. In diesei Hinsicht ist der Signalpegel des Wechsels in der Kurvenform hundertmal stärker ausgeprägt als bei der herkömmlichen OTDR, und der Dämpfungsanteil des nach der vorliegenden Erfindung gewonnenen Signalpegels im Verhältnis zur Lange der optischen Faser (mit anderen Worten: Faserverlust) ist halb so groß wie bei der herkömmlichen OTDR. Demnach können nach der vorliegenden Erfindung folgende Vorteile erzielt werden:
1) Selbst in einem Fall, bei dem eine Lichtquelle geringer Leistung, wie ein Halbleiterlaser verwendet wird, ist für einen solchen Fall eine Vorrichtung zur Beurteilung der Eigenschaften einer optischen Faser geschaffen, wobei ein Nutzsignal/Störsignal- Verhältnis erzielt wird, das verglichen mit der herkömmlichen OTDR, wesentlich günstiger ausfällt und das hochpräzise Messungen möglich macht.
2) Da sich die Frequenz des ersten Lichtsignals S1 gemäß einer Eigenart dieser Messung von der des zweiten Lichtsignals S2 unterscheidet, ist es möglich, starkes Fresnel-Reflexionslicht zu vermeiden, da das erste Lichtsignal durch Verwendung eines Licht- Frequenzfilters nicht auf den Photodetektor gelangt.
3) Bisher war die Messung unmittelbar hinter einer Steckverbindung, bei der ein starker Fresnel-Reflexionsimpuls erzeugt wird, nicht möglich, und es bildete sich eine Zone in der nicht gemessen werden konnte (eine sogenannte tote Zone). Eine solche tote Zone kann jedoch nach der vorliegenden Erfindung vermieden werden, so daß auf diese Weise eine Messung an einem Punkt unmittelbar hinter der Steckverbindung ausgeführt werdan kann.
4) Das Problem der Linearität einer Feststellvorrichtung tritt nicht auf. Die Korrelationsverarbeitung oder die Messung in einem Frequenzbereich sind leicht ausführbar, und auf diese Weise kann das Nutzsignal/Störsignal-Verhältnis wesentlich verbessert werden.
5) Überdies hängt ein Änderungsbetrag in der Kurvenform des zweiten Lichtsignals, das gemäß der vorliegenden Erfindung gemessen wird, von der Licht-Frequenzdifferenz zwischen dem ersten Lichtsignal und dem zweiten Lichtsignal ab und wird ein Maximum, wenn die Differenz mit der Brillouin-Frequenzverschiebung zusammentrifft, die bestimmt ist durch die Art der Materialien der optischen Faser und der relativen Brechungsindexdifferenz zwischen Mantel und Ader der optischen Faser. Auf diese Weise kann die Verteilung der relativen Brechungsindexdifferenz zwischen Ader und Mantel in Längsrichtung der optischen Faser gemessen werden indem die Messung ausgeführt wird, während der die Licht-Frequenzdifferenz zwischen dem ersten Lichtsignal und dem zweiten Lichtsignal sich ändert. In dieser Hinsicht ist die herkömmliche OTDR Technik nicht in der Lage, die Verteilung der relativen Brechungsindexdifferenz zwischen Leiter und Mantel sowie der des Leiterdurchmessers getrennt zu bestimmen, wohingegen eine derartige Messung der Verteilung nach der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden kann.
6) Da ein Änderungsbetrag der Kurvenform des zweiten Lichtsignals, das nach der vorliegenden Erfindung gemessen worden ist, sich abhängig von dem optischen Verlust in der optischen Faser verändert kann nach der vorliegenden Erfindung sehr wohl deren Leiterdurchmesser als auch die auf die Faser ausgeübte Belastung, deren Temperatur usw., die Beträge derartiger physikalischer Eigenschaften wie optischer Verlust, Leiterdurchmesser, auf die Faser ausgeübte Beanspruchung und Temperatur in Längsrichtung der optischen Faser bestimmt werden.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung klar hervorgeht, kann die vorliegende Erfindung in effektiver Weise nicht nur zur Beurteilung der Eigenschaften der optischen Faser bei ihrer Herstellung herangezogen werden, sondern sie ist auch auf verteilte Fernmessungen anwendbar, bei denen die Faser mechanischen Beanspruchungen und Temperaturschwankungen ausgesetzt ist.

Claims

1. Verfahren zum Beurteilen der Eigenschaften einer optischen Faser mit Brillouin-Verstärkung mit folgenden Verfahrensschritten:

Einfallenlassen eines ersten Lichtsignals (S1) in Form modulierten Lichtes aus einer Lichtquelle (1) auf eine zu messende optische Faser (3);

Ausbreiten eines zweiten Lichtsignals (S2) aus einer zweiten Lichtquelle (2) in entgegengesetzter Richtung zu der des ersten Lichtsignals (S1) in der optischen Faser (3);,

Steuern der Frequenz von wenigstens einer der Lichtquellen (1, 2), zu denen die erste und die zweit Lichtquelle (1 und 2) gehören;

Einstellen der Differenzfrequenz Δf von dem ersten Lichtsignal (S1) und dem zweiten Lichtsignal (S2) auf einen vorbestimmten Wert;

Hervorrufen optisch nicht-linearer gegenseitiger Beeinflussung des ersten und des zweiten Lichtsignals;

Feststellen der zeitabhänngigen Signailleistung des zweiten Lichtsignals (S2), nachdem es die optische nicht-lineare Beeinflussung erfahren hat:

Beurteilen der Eigenschaften der optischen Faser (3) auf Grundlage der zeitabhängingen Signalleistung;

wobei die optische nicht-lineare Beeinflussung in dem Brillouin-Lichtverstärkung besteht und wobei die Beurteilung das Verlusts D [dB/km] eines gegebenen Abschnitts [a, b] der zu messenden optischen Faser nach folgender Gleichung geschieht:

α = 1000 x 10 log&sub1;&sub0; (Wa/Wb) / (Vtab/2) [dB/km]

worin

V die Fortpflanzungsgeschwindigkeit [m/s] in der optischen Faser;

Wa , Wb die festgestellte zeit abhängige Signalleistung des zweiten Lichtsignals an den betreffenden Enden a und b des Abschnitts der zu messenden optischen Faser und worin;

und tab die Zeit bedeutet, die das erste oder das zweite Lichtsignal benötigt, um den Abschnitt [a,b] hin und zurück zu durchlaufen.

2. Verfahren zum Beurteilen der Eigenschaften einer optischen Faser mit Brillouin-Verstärkung mit folgenden Verfahrensschritten:

Einfallenlassen eines ersten Lichtsignals (S1) in Form modulierten Lichtes aus einer Lichtquelle (1) in eine zu messende optische Faser (3);

Ausbreiten eines zweiten Lichtsignals (S2) aus einer zweiten Lichtquelle (2) in entgegengesetzter Richtung zu der des ersten Lichtsignals (S1) in der optischen Faser (3);

Steuern der Frequenz von wenigstens einer der Lichtquellen (1, 2), zu denen die erste (1) und die zweite Lichtquelle (2) gehören;

Einstellen der Differenzfrequenz Δf von dem ersten Lichtsignal (S1) und dem zweiten Lichtsgnal (S2) auf einen vorbestimmten Wert;

Hervorrufen optisch nicht-linearer gegenseitiger Beeinßlussung unter den Lichtsignalen (S1 und S2);

Feststellen der zeitabhängigen Signalleistung des zweiten Lichtsignals (S2), nachdem es die nicht-lineare optischen Beeinflussung erfahren hat;

Beurteilen der Eigenschaften der optischen Faser auf Grundlage der zeitabhängigen Signalleistung,

wobei die optisch nicht-lineare Beeinflussung in der Brillouin-Lichtverstärkung besteht,

wobei der Verfahrensschritt des Beurteilens der Eigenschaften der optischen Faser die Beurteilung der Differenzstreuung des relativen Brechungsindex, die Temperaturverteilung oder die Belastungsverteilung in der optischen Faser einschließt, die aus der Frequenzdifferenz Δf zu messen ist, bei der die Amplitude der zeitabhängigen Signalleistung (S2) ein Maximum hat.

3. Verfahren zum Beurteilen der Eigenschaften einer optischen Faser mit Brillouin-Verstärkung nach Anspruch 1, bei dem die Schwingungslinienbreite von wenigstens einer der Lichtquellen (1, 2) breiter ist als die Bandbreite der Brillouin- Lichtverstärkung der zu messenden optischen Faser.

4. Verfahren zum Beurteilen der Eigenschaften einer optischen Faser mit Brillouin-Verstärkung nach Anspruch 1, das weiterhin den Verfahrensschritt beinhaltet, die zeitabhängige Signalleistung W des zweiten Lichtsignals (S2) durch folgende Gleichung zu errechnen:

in der Wk die zeitabhängige Signalleistunq des zweiten Lichtsignals S2 bedeutet, das die Brillouin-Verstärkung erfährt und das zu dem Zeitpunkt festgestellt wird, bei dem die Frequenzdifferenz zwischen dem ersten Lichtsignal (S1) und dem zweiten Lichtsignal (S2) gleich fk ist (k = 1, 2, . . . N; N ist positiv und ganzzahlig).

5. Verfahren zum Beurteilen der Eigenschaften einer optischen Faser mit Brillouin-Verstärkung nach Anspruch 1, das die weiteren folgenden Verfahrensschritt beinhaltet:

Beibehaltung der Polarisation bei einem der Lichtsignale (S1, S2) ; Erzeugung zeitabhängiger Signale durch Änderung des Polarisationszustandes des anderen Lichtsignals vom ersten Lichtsignal S1) und vom zweiten Lichtsignat (S2), um wechselweise eines aus einem Paar orthogonaler Polarisationszustände zu verwenden;

Feststellen der zeitabhängigen Signalleistungen Ws und Wt der zeitabhängigen Signale, die den orthongonalen Polarisationszuständen zugehörig sind, und Errechnen der zeitabhängingen Signalleistung als arithmetischen, durch den mit (Ws + Wp)/2 ausgedrückten Mittelwert.

6. Verfahren zum Beurteilen der Eigenschaften einer optischen Faser mit Brillouin-Verstärkung nach Anspruch 2, das die weiteren folgenden Verfahrensschritt beinhaltet:

Beibehaltung der Polarisation bei einem der Lichtsignale (S1, S2); Erzeugung zeitabhängiger Signale durch Änderung des Polarisationszustandes des anderen Lichtsignals vom ersten Lichtsignal (S1) und vom zweiten Lichtsignal (S2), um wechselweise eines aus einem Paar orthogonaler Polarisationszustände zu verwenden;

Feststellen der zeitabhängigen Signalleistungen Ws und Wt der zeitabhängigen Signale, die den orthogonalen Polarisationszuständen zugehörig sind, und Errechnen der zeitabhängigen Signalleistung als arithmetischen, durch den mit (Ws + Wp)/2 ausgedrückten Mittelwert.

7. Verfahren zum Beurteilen der Eigenschaften einer optischen Faser mit Brillouin-Verstärkung nach Anspruch 1, das weiterhin folgende Verfahrensschritte beinhaltet:

Zuweisen von F1 und F2 an die betreffenden optischen Frequenzen des ersten Lichtsignals (S1) und des zweiten Lichtsignals (S2) , so daß die Frequenzen F1 und f2 der Beziehung f1 - f2 = fB genügen (worin fB die Brillouin-Verschiebung ist);

Feststellen des zweiten Brillouin-lichtverstärkten Lichtsignals (S2), um die zeitabhängige Leistung WA des festgestellten zweiten Lichtsignals (S2) zu bekommen;

Zuweisen von f1' und f2' an die betreffenden optischen Frequenzen des ersten Lichtsignals (S1) bzw. des zweiten Lichtsignals (S2), so daß die Frequenzen f1' und f2' der Beziehung F1' F2' = fB genugen;

Feststellen des zweiten Brillouin-lichtverstärkten Lichtsignals (S2), um die zeitabhängige Leistung WB des festgestellten zweiten Lichtsignals (S2) zu bekommen; und

Errechnen des arithmetischen Mittels (WA + WB)/2 oder des geometrischen Mittels [WA x WB].

8. Verfahren zum Beurteilen der Eigenschaften einer optischen Faser mit Brillouin-Verstärkung nach Anspruch 2, das weiterhin folgenden Verfahrenschritte beinhaltet:

Zuweisen von f1 und f2 an die betreffenden optischen Frequenzen des ersten Lichtsignals (S1) und des zweiten Lichtsignals (S2), so daß die Frequenzen f1 und f2 der Beziehung f1 - f2 = fB genügen (worin fB die Brillouin- Frequenzverschiebung ist);

Zuweisen von f1' und f2' an die betreffenden optischen Frequenzen des ersten Lichtsignals (S1) bzw. des zweiten Lichtsignals (S2), so daS die Frequenzen f1' und f2' der Beziehung f1'- f2' = fB genügen;

Feststellen des zweiten Brillouin-lichtverstärken Lichtsignals (S2), um die zeitabhängige Leistung WB des festgestellten zweiten Lichtsignals (S2) zu bekommen; und

Errechnen des arithmetischen Mittels (WA + WB)/2 oder des geometrischen Mittelwertes [WA x WB].

9. Vorrichtung zum Beurteilen der Eigenschaften einer optischen Faser mit Brillouin-Verstärkung, mit:

einer ersten Lichtquelle (1), die ein erstes Lichtsignal (S1) in Form modulierten Lichtes emittiert;

einer zweite Lichtquelle (2), die ein zweites Lichtsignal (S2) emittiert;

einer optische Frequenzsteuereinrichtung (7-2), die die Licht-Frequenzdifferenz zwischen dem ersten Lichtsignal (S1) und dem zweiten Lichtsignal (S2) steuert;

Mitteln, die das zweite Lichtsignal (S2) in ein Ende der zu messenden optischen Faser (3) einkoppeln;

einem Licht-Richtungskoppler (4), der das erste Lichtsignal (S1) in das andere Ende der zu messenden optischen Faser (3) einkoppelt und der das zweite Lichtsignal (S2) auf der anderen Seite der optischen Faser auskoppelt;

einem Fotodetektor (5), der das zweite Lichtsignal umsetzt, so daß es vom Licht-Richtungskoppler in ein elektrisches Signal umgewandelt werden kann; und mit einem Signalprozessor (6), der die zeitabhängige Kurvenform des elektrischen Signals aus dem Fotodetektor (5) verarbeitet und analysiert,

wobei wenigsten eine der Lichtquellen (1 und 2) ein Longitudinal-Ein-Moden-Schwingungslaser mit veränderbarer Lichtfrequenz ist und wobei die Lichtfrequenzdifferenz zwischen dem ersten Lichtsignal S1 und des zweiten Lichtsignal S2 der Briliouin-Frequenzverschiebung in der zu messenden optischen Faser 3 gleich oder annähernd gleich gemacht werden kann.

10. Vorrichtung zum Beurteilen der Eigenschaften einer optischen Faser mit Brillouin-Verstärkung nach Anspruch 9, die weiterhin Mittel zur Änderung des Polarisationszustandes wenigstens einer der Lichtsignale (S1, S2) beinhaltet.

11. Vorrichtung zum Beurteilen der Eigenschaften einer optischen Faser mit Brillouin-Verstärkung nach Anspruch 9, deren erste Lichtquelle (1) erste Lichtsignale (S1) mit Pseudozufallsmodulation emittiert.

12. Vorrichtung zum Beurteilen der Eigenschaften einer optischen Faser mit Brillouin-Verstärkung nach Anspruch 9, von denen wenigstens eine der Lichtquellen (1 und 2) eine Schwingungs- Linienbreite aufweist, die breiter als die Bandbreite der Brillouin-Lichtverstärkung der zu messenden optischen Faser ist.

13. Vorrichtung zum Beurteilen der Eigenschaften einer optischen Faser mit Brillouin-Verstärkung nach Anspruch 9, die weiterhin ein Lichtfrequenzfilter enthält, das aus dem Licht-Richtungskoppler Licht empfängt und das das zweite Lichtsignal zu dem Fotodetektor durchläßt jedoch nicht das erste Lichtsignal.

14. Vorrichtung zum Beurteilen der Eigenschaften einer optischen Faser mit Brillouin-Verstärkung nach Anspruch 9 oder 11, desset erstes Lichtsignal (51) unter Verwendung einer FSK (Frequenzumtastung) moduliert wird, wobei die Lichtfrequenzdifferenz Δf zwischen dem ersten Lichtsignal und dem zweiten Lichtsignal der Brillouin-Frequenzverschiebung gleich oder annähernd gleich ist, wenn einerseits die FSK ein Markierungssignal enthält; und um mehr als die Brillouin- Verstärkungsbandbreite von der Brillouin-Frequenzverschiebung in der zu messenden optischen Faser abweicht, wenn andrerseits die FSK ein Abstandssignal enthält.