DE69435085T2

DE69435085T2 - Optische Reflexionsmessung im Zeitbereich

Info

Publication number: DE69435085T2
Application number: DE69435085T
Authority: DE
Inventors: Arthur Harold Southampton Hartog
Original assignee: York Sensors Ltd
Current assignee: York Sensors Ltd
Priority date: 1993-07-22
Filing date: 1994-07-19
Publication date: 2009-03-19
Anticipated expiration: 2014-07-20
Also published as: EP1338877B1; EP1345020A1; EP0636868A1; GB9315231D0; DE69433154D1; EP1338876A2; EP1338876A3; DE69433154T2; EP1338877A2; US5592282A; EP0636868B1; EP1338877A3; DE69435085D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches Zeitbereichs-Reflektometrieverfahren (OTDR-Verfahren) und eine Vorrichtung zum Ausführen eines derartigen Verfahrens.
Bei der OTDR wird das Licht einer ersten Wellenlänge (λ₀) in ein Ende einer Lichtleitfaser eingeleitet und die längs der Faser zurückgestreute optische Strahlung wird gemessen. Bei der verteilten Erfassung unter Verwendung der OTDR wird die zurückgestreute Strahlung verwendet, um die jeweiligen Werte eines physikalischen Parameters an unterschiedlichen Orten längs der Faser zu messen, die in einem interessierenden Bereich verlegt ist. In optischen Zeitbereichs-Reflektometern, die verwendet werden, um die Fasern in ihren Produktionsumgebungen oder in installierten Kabeln zu charakterisieren, wird die zurückgestreute optische Strahlung z. B. verwendet, um Fehler in der Faser zu lokalisieren oder die Dämpfungseigenschaften der Faser zu messen.
Die zurückgestreuten Signale können sich entweder aus einem elastischen oder einem inelastischen Streuprozess ergeben. Die Rayleigh-Steuerung erzeugt elastisch gestreute Signale mit einer Wellenlängenverteilung, die im Wesentlichen die gleiche wie die des injizierten Signals (λ₀) ist. Andererseits sind die Brillouin- und die Raman-Streuung inelastische Streuprozesse, die beide jeweils Paare von Spektralbändern erzeugen. Jedes Paar von Bändern erster Ordnung umfasst ein Band (das Stokes-Band), das auf eine längere Wellenlänge (λ₊₁) als die des injizierten Signals (λ₀) zentriert ist, wobei das andere (das Anti-Stokes-Band) auf eine kürzere Wellenlänge (λ_–1) als die des injizierten Signals zentriert ist, so dass das Paar auf die injizierte Signalwellenlänge zentriert ist. Das Spektrum würde normalerweise mehrere aufeinanderfolgende Ordnungen (bei Wellenlängen λ_±n, wobei n = 1, 2, 3, ... gilt) enthalten, die sich aus einem speziellen Streuprozess ergeben, wobei die Intensität der Bänder abnimmt, wie die Ordnung zunimmt. In einigen Materialien auf Siliciumdioxid-Basis enthält das Raman-Spektrum mehr als ein Band mit signifikanter Intensität, in binärem P₂O₅·SiO₂-Glas besitzt z. B. zusätzlich zum Haupt-Siliciumdioxid-Band bei etwa 440 cm^–1 das P₂O₅ ein Band bei etwa 1390 cm^–1.
Für ein injiziertes Signal mit 904 nm in Siliciumdioxid sind die zurückgestreuten Brillouin-Anti-Stokes- und Brillouin-Stokes-Signale um etwa 0,05 nm vom injizierten Signal verschoben, während die zurückgestreuten Raman-Stokes- und Raman-Anti-Stokes-Signale um etwa 34 nm verschoben sind. Die Wellenlängenverschiebungen für die brillouin- und raman-gestreuten Signale betragen in Siliciumdioxid etwa 0,058 nm bzw. 50 nm für ein 1,06-μm-Signal und etwa 0,084 nm bzw. 100 nm für ein injiziertes 1,53-μm-Signal.
Die zurückgestreuten Brillouin- und Raman-Signale besitzen Intensitäten, die von physikalischen Parametern, wie z. B. der Temperatur, abhängig sind. Typischerweise sind für Siliciumdioxid-Fasern bei Zimmertemperatur die Raman-Stokes- und -Anti-Stokes-Signale weniger intensiv als die zurückgestreuten Brillouin-Signale, wobei die Raman-Signale Intensitäten erster Ordnung besitzen, die bei 1,064 μm im Vergleich zu den Brillouin-Signalen, die etwa 13 bis 16 dB niedriger als das Rayleigh-Rückstreusignal sind, etwa 18 dB bzw. 28 dB niedriger als das Rayleigh-Rückstreusignal sind. Bei 7 ns-/50 W-Impulsen bei 1,064 μm in einer Industriestandard-Mehrmodenfaser (50 μm Kerndurchmesser, 125 μm Mantel, Gradientenindex-Kern und eine numerische Apertur von 0,20) beträgt die Leistung des Lichts mit der Raman-Anti-Stokes-Wellenlänge, das sich aus der Rückstreuung ergibt, in der Nähe des Empfangs-/Injektionsendes der Faser etwa 50 nW.
Bei einem bekannten OTDR-Verfahren der verteilten Erfassung, wie z. B. jenem, das in EP 0 213 872 beschrieben ist, wird ein moduliertes optisches 1,5-W-Signal mit einer Wellenlänge von 854 nm bei 4 kHz, das eine Impulsbreite von 40 ns besitzt, in ein Ende einer Lichtleitfaser injiziert, deren Länge größer als 1 km ist. Ein zurückgestreutes Signal wird zum ersten Ende zurückgeschickt, wobei es die obenerwähnten elastisch und inelastisch zurückgestreuten Signale enthält, die dann gefiltert werden, um im Wesentlichen alles außer dem Raman-Anti-Stokes-Signal zu entfernen, das für die Messung seiner Intensität in Bezug auf das Gesamt-Rückstreusignal zu Erfassungsmitteln durchgeht. Aus der Änderung der Intensität mit der verstrichenen Zeit vom injizierten Signal kann die Verteilung eines speziellen physikalischen Parameters, wie z. B. der Temperatur, längs der Faser abgeleitet werden.
In einem früheren bekannten OTDR-Verfahren, wie z. B. jenem, das in GB-2140554 beschrieben ist, wird Impulslicht bzw. gepulstes Licht in ein Ende einer Lichtleitfaser eingeleitet und werden die zurückgestreuten Raman-Stokes- und -Anti-Stokes-Signale getrennt und gemessen. Die Verhältnisse der Messungen werden dann erhalten, aus denen eine Temperaturverteilung der Faser abgeleitet wird.
In einem weiteren bekannten OTDR-Verfahren, wie z. B. jenem, das in EP 0 502 283 beschrieben ist, werden optische Signale mit einer Wellenlänge von 1,32 μm von einer Quelle, die einen diodengepumpten Festkörperlaser umfasst, durch ein Stück einer Lichtleitfaser mit verbesserten Raman-Streueigenschaften, ein Dämpfungsglied und ein optisches Filter gesendet, um daraus ein Testsignal mit einer Wellenlänge von 1,40 μm für die Injektion in eine Erfassungs-Lichtleitfaser für das Messen der Temperatur entlang dieser zu emittieren. Die Umsetzung der Wellenlänge zwischen 1,32 μm und 1,40 μm wird durch stimulierte Raman-Streuung (SRS) der ersten Wellenlänge ausgeführt, um die zweite, längere Wellenlänge zu erzeugen. Die Raman-Anti-Stokes- und Raman-Stokes-Signale mit den jeweiligen Wellenlängen von 1,32 μm und 1,50 μm, die anschließend aus Positionen längs der Erfassungs-Lichtleitfaser zurückgestreut werden, werden dann in der gleichen Weise wie im zuerst erwähnten OTDR-Verfahren erfasst und verarbeitet.
Der Bereich der Testsignale in Lichtleitfasern ist durch die Dispersion und die Dämpfung begrenzt. Für eine gegebene Faser ist es deshalb erwünscht, dass das Testsignal so ausgewählt wird, dass es eine Wellenlänge besitzt, die einem Minimum in der Dämpfungs-/Dispersionskennlinie der Faser entspricht. Für ein Fasermaterial, wie z. B. mit GeO₂ dotiertes Siliciumdioxid, tritt bei einer Wellenlänge von 1,3 μm ein Dispersionsminimum für das Material selbst und bei einer Wellenlänge λ = 1,55 μm ein Minimum des Dämpfungskoeffizienten von etwa 0,2 dB/km auf.
Ein verteiltes OTDR-Erfassungssystem, das für die Langstreckenerfassung geeignet ist und das injizierte Wellenlängen im Bereich von 1,51 μm bis 1,59 μm verwendet, ist im britischen Patent des Anmelders GB-A-2277147 beschrieben.
Die Langstreckenerfassung erfordert Hochleistungsquellen. Bei hoher Leistung treten jedoch nichtlineare optische Effekte auf. Ein besonderes Problem ist die stimulierte Raman-Streuung, die die in die Faser eingeleitete Wellenlänge hauptsächlich in der Vorwärtsrichtung in die Stokes-Wellenlänge erster Ordnung umsetzt. Wie in den 1(A) und 1(B) der beigefügten Zeichnungen gezeigt ist, die graphische Darstellungen sind, die die Variation der Intensität der optischen Strahlung in einer Industriestandard-Einmodenfaser (Indexunterschied 0,35%, Grenzwellenlänge 1200 nm) bei einer Testwellenlänge λ₀ (die gestrichelte Linie 200) von 1530 nm und der ersten Stokes-Raman-Wellenlänge λ₊₁ (die ausgezogene Linie 201) bei einer Entfernung längs der Faser für Einleitleistungen von 1 W bzw. 3 W veranschaulichen, wächst die stimulierte Emission längs der Faser, was für die Langstreckenerfassung eine Länge von vielen Kilometern sein könnte, bis schließlich im Wesentlichen alles in die Faser eingeleitete Licht in die Stokes-Wellenlänge umgesetzt ist. Die in den 1(A) und 1(B) angegebenen Werte sind für eine typische Faser und hängen von der Konstruktion der Faser und der verwendeten Testwellenlänge ab. Die Rate der Zunahme ist proportional zur Intensität (Leistung/Fläche) des in die Faser eingeleiteten Lichts und zu den Parametern des Glases, wobei sie deshalb zu dem Bereich umgekehrt proportional ist, über den die Leistung eingeschränkt ist.
Infolge der stimulierten Raman-Streuung wird in verteilten Sensoren, die bei ausreichend hohen Leistungspegeln (z. B. für Langstreckenanwendungen) arbeiten, das Signal mit der Stokes-Wellenlänge signifikant größer als es ohne die nichtlinearen Effekte sein würde, wobei dies die Messungen verzerrt, wo das Stokes-Signal als eine Referenz verwendet wird. Weil außerdem durch die Umsetzung in die Stokes-Wellenlänge von dem in die Faser eingeleiteten Licht Leistung verloren wird, ist das Signal mit der Anti-Stokes-Wellenlänge entsprechend geschwächt. Infolge der signifikanten Zunahme der Stokes-Leistung in der Vorwärtsrichtung reflektieren außerdem die Verbinder in der Faser eine große Menge dieser Leistung, die die Filter im Empfänger senden. Das von den Verbindern reflektierte starke Signal kann deshalb die Vorverstärkerausgabe über nachfolgende Faserabschnitte verzerren. 2 der beigefügten Zeichnungen, die die zurückgestreuten Signale (bei 0 km auf die Eins normiert) mit der Anti-Stokes-Wellenlänge (die strichpunktierte Linie 202) und der Stokes-Wellenlänge (die gestrichelte Linie 203) über eine Entfernung von 50.000 Metern und das Verhältnis dieser zwei Signale (die ausgezogene Linie 204) für eine injizierte Leistung von 3 W bei 1530 nm in einer typischen Einmodenfaser zeigt, veranschaulicht, wie das Stokes-Signal mit der Entfernung längs der Faser zunimmt und schließlich die normalen Wirkungen der Faserdämpfung überwindet und folglich das Anti-Stokes-/Stokes-Verhältnis verzerrt. 3 der beigefügten Zeichnungen vergleicht die Vorwärtsbewegungs-Gesamtleistung bei der Stokes-Wellenlänge (die gestrichelte Linie 205), wenn der Raman-Verstärkungsfaktor dabei berücksichtigt wird, der einen rein linearen (spontanen) Ursprung (die ausgezogene Linie 206) in einer typischen Einmodenfaser für einen injizierten Impuls mit 1,0 W bei 1530 nm besitzt.
Beispielhaft gibt für eine Einmodenfaser ohne Dispersionsverschiebung, die einen Kern-Brechungsindex von 1,45 und eine numerische Apertur von 0,1 besitzt, unter Verwendung eines injizierten Signals von 1,53 μm, bei dem sie eine Dämpfung von 0,197 dB/km (0,292 dB/km bei der Anti-Stokes-Raman-Wellenlänge von 1,43 μm und 0,311 dB/km bei der Stokes-Wellenlänge von 1,64 μm) besitzt, eine 2%-Abweichung vom Wert für den linearen Betrieb z. B. im Verhältnis des Anti-Stokes- zum Stokes-Signal einen Fehler von etwa 3°C in verteilten Temperaturerfassungsanwendungen. Für eine derartige Faser mit einer Länge von 50.000 Metern unter Verwendung eines injizierten Signals der Wellenlänge 1,53 μm beginnt der Nichtlinearitätsfehler bei einer Einleitleistung zwischen 0,9 W und 1,0 W 2% zu übersteigen, wobei der 2%-Fehler bei einer Entfernung von 39.650 m bei einer Leistung von 1 W und bei 12.050 m bei einer Leistung von 2 W überstiegen wird. Obwohl diese Werte gegenüber einer Anzahl von Faktoren sehr empfindlich sind, einschließlich sehr kleiner Änderungen des Faserverlusts, dienen sie dazu, die Wirkung der stimulierten Raman-Streuung auf die unter Verwendung der verteilten Erfassung ausgeführten Messungen zu veranschaulichen.
Der frühe Beginn der stimulierten Raman-Streuung kann außerdem in optischen Zeitbereichs-Reflektometern ein Problem sein, in denen es besonders wichtig ist, sicherzustellen, dass die Lichtleitfaser im linearen Betriebszustand betrieben wird, weil die bei der verteilten Erfassung verwendete Referenzierung nicht verfügbar ist.
Um folglich den Beginn der stimulierten Raman-Streuung zu vermeiden, ist vordem die Leistung des in die Faser eingeleiteten Lichts eingeschränkt worden, mit dem Ergebnis, dass der Bereich, über den Messungen ausgeführt werden können, eingeschränkt ist. Ähnliche Probleme ergeben sich infolge der stimulierten Brillouin-Streuung. Für das Problem der stimulierten Streuung wird jedoch eine Lösung im europäischen Patent des Anmelders EP-A-0636868 vorgeschlagen.
Bei OTDR-Verfahren ist es wichtig, bezüglich der Verluste längs der Faser genau zu eichen und die Wirkungen der Änderungen der Fasereigenschaften längs ihrer Länge zu berücksichtigen.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, wie er im Anspruch 1 definiert ist, wird ein optisches Zeitbereichs-Reflektometrieverfahren zum Erfassen jeweiliger Werte eines physikalischen Parameters an unterschiedlichen Orten längs einer Lichtleitfaser, die durch einen interessierenden Bereich verlegt ist, geschaffen, wobei in dem Verfahren optische Strahlung mit einer ersten Wellenlänge in die Faser eingeleitet wird und zurück gestreute optische Strahlung in einem ersten und einem zweiten Spektralband, die auf die erste Wellenlänge bzw. auf eine zweite Wellenlänge, die gleich der Wellenlänge eines Anti-Stokes-Spektralbandes ist, das aus einer inelastischen Streuung von optischer Strahlung mit der ersten Wellenlänge in der Faser resultiert, zentriert sind, verwendet wird, um eine erste bzw. eine zweite Menge von Ausgangssignalen zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass nicht gleichzeitig mit der optischen Strahlung mit der ersten Wellenlänge optische Strahlung im Wesentlichen mit der zweiten Wellenlänge in die Faser eingeleitet wird und zurück gestreute optische Strahlung in einem dritten Spektralband, das auf die zweite Wellenlänge zentriert ist, verwendet wird, um eine dritte Menge von Ausgangssignalen zu erzeugen, und eine letzte Menge von Ausgangssignalen, die von den erfassten Werten abhängen, durch Normieren der ersten Menge von Ausgangssignalen auf den geometrischen Mittelwert der zweiten und der dritten Menge von Ausgangssignalen erzeugt wird.
Diese Technik vergrößert die Genauigkeit, mit der die Verluste geeicht werden können, wobei sie außerdem die Wirkungen der Änderungen der Fasereigenschaften längs ihrer Länge im Wesentlichen beseitigt.
Ein derartiges Verfahren kann unter Verwendung einer optischen Zeitbereichs-Reflektometrievorrichtung nach Anspruch 2 zum Erfassen jeweiliger Werte eines physikalischen Parameters an verschiedenen Orten durch einen interessierenden Bereich ausgeführt werden, die einen zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung verkörpert, wobei die Vorrichtung eine Lichtleitfaser, die ausgelegt ist, um durch den interessierenden Bereich verlegt zu werden, und Quellenmittel, die wahlweise betreibbar sind, um optische Strahlung mit einer ersten Wellenlänge in die Faser einzuleiten, Erfassungsmittel, um optische Strahlung zu empfangen, die längs der Faser zurück gestreut wird, und Signalverarbeitungsmittel, um diese zurück gestreute optische Strahlung in einem ersten und einem zweiten Spektralband, die auf die erste Wellenlänge bzw. auf eine zweite Wellenlänge, die gleich der Wellenlänge eines Anti-Stokes-Spektralbandes ist, das aus einer inelastischen Streuung von optischer Strahlung mit der ersten Wellenlänge in der Faser resultiert, zentriert sind, zu verwenden, um eine erste bzw. eine zweite Menge von Ausgangssignalen zu verwenden, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Quellenmittel außerdem wahlweise betreibbar sind, um optische Strahlung im Wesentlichen mit der zweiten Wellenlänge in die Faser nicht gleichzeitig mit der optischen Strahlung der ersten Wellenlänge einzuleiten, und die Signalverarbeitungsmittel betreibbar sind, um die resultierende zurück gestreute optische Strahlung in einem dritten Spektralband, das auf die zweite Wellenlänge zentriert ist, zu verwenden, um eine dritte Menge von Ausgangssignalen zu erzeugen, und ferner betreibbar sind, um eine letzte Menge von Ausgangssignalen zu erzeugen, die von den erfassten Werten abhängen, indem die erste Menge von Ausgangssignalen auf das geometrische Mittel der zweiten und der dritten Menge von Ausgangssignalen normiert wird.
Nun wird beispielhaft auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, worin:
1(A) und 1(B), 2 und 3 (oben beschriebene) graphische Darstellungen sind;
4(A) eine schematische graphische Darstellung ist, die die Vorrichtung für die Verwendung beim Verstehen einer Anwendung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, und 4(B) eine graphische Darstellung ist, die die Variation des Durchlässigkeitskoeffizienten einer in 4(A) gezeigten Kopplungsvorrichtung mit der Wellenlänge zeigt;
5(A) eine graphische Darstellung ist, die eine gemessene Temperaturverteilung längs einer Faser veranschaulicht;
5(B) einen Abschnitt der graphischen Darstellung nach 5(A) in einem vergrößerten Maßstab zeigt;
6 eine Vorrichtung zeigt, die den zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung verkörpert;
7 eine Vorrichtung für die Verwendung mit jener nach 6 zeigt;
8 eine graphische Darstellung eines Anti-Stokes-Rückstreusignals gegen die Entfernung längs einer Faser zeigt;
9 eine modifizierte Version der in 8 gezeigten graphischen Darstellung zeigt;
10 eine normierte Version der in 9 gezeigten graphischen Darstellung zeigt;
11 eine graphische Darstellung ist, die die Variation des Dämpfungskoeffizienten mit der Wellenlänge für eine typische Faser veranschaulicht;
12 eine graphische Darstellung ist, die ein Brechungsindex-Profil längs des Kerns einer Lichtleitfaser mit eingebautem Gitter zeigt;
13(A) und 13(B) schematische graphische Darstellungen der jeweiligen Verfahren zum Erzeugen periodischer mechanischer Störungen in einer Lichtleitfaser sind;
14 eine graphische Darstellung ist, die ein Brechungsindex-Profil einer Lichtleitfaser zeigt;
15(A) eine schematische graphische Darstellung ist, die einen Teil der Vorrichtung veranschaulicht, der für die Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
15(B) und 15(C) schematische graphische Darstellungen der optionalen Abschnitte des Teils nach 15(A) sind;
16 bis 18 jeweilige graphische Darstellungen für die Verwendung beim Erklären einer Prozedur für das Auswählen einer Testwellenlänge zeigen; und
19 und 20 jeweilige graphische Darstellungen für die Verwendung beim Erklären einer Prozedur für das Auswählen eines Leistungspegels einer Testwellenlänge zeigen.
Die Vorrichtung nach 4A, die die vorliegende Erfindung nicht verkörpert, aber für ihr Verständnis nützlich ist, umfasst eine optische Quelle 1, die so beschaffen ist, dass sie die Impulse einer optischen Strahlung mit einer ersten Wellenlänge λ₀ in ein Ende A zum anderen Ende B von irgendeiner aus einer Anzahl ausgewählter Erfassungsfasern 2, die in einem interessierenden Bereich verlegt sind, über einen ersten Richtkoppler 4a und eine geeignete Einleitoptik 3 einleitet.
Ein Anteil der injizierten Strahlung wird längs der Faser zurückgestreut und wird zurück zum Einleitende A geführt. Typischerweise besitzt für in eine Einmodenfaser mit einer numerischen Apertur von 0,11 injizierte 80-ns-/1-W-Impulse mit einer Wellenlänge von 1550 nm das zurückgestreute Signal mit der Anti-Stokes-Wellenlänge eine Leistung von etwa 600 pW. Das zurückgestreute Licht wird über einen zweiten Richtkoppler 4b zu den optischen Filterungs- und Erfassungsmitteln 6 gelenkt. In dieser Ausführungsform wird die optische Strahlung in zwei im Voraus gewählten Spektralbändern, von denen eines das auf die Rayleigh-Streuung zurückzuführende bei λ₀ ist, während das andere bei λ_–1 das Anti-Stokes-Raman-Band erster Ordnung ist, gemessen. Demgemäß umfassen die optischen Filterungs- und Erfassungsmittel 6 zweckmäßig zwei Filter 5a, 5b und zwei Detektoren 7a, 7b, die für die jeweiligen Wellenlängen λ_–1, λ₀ speziell angefertigt sind. Anstelle von zwei separaten Filtern 5a, 5b kann eine bewegliche Filteranordnung vorgesehen sein, aber die gewünschte Filterung kann außerdem unter Verwendung einer oder mehrerer von irgendwelchen Vorrichtungen ausgeführt werden, die Licht in einem oder mehreren im Voraus gewählten Spektralbändern einschließlich eines kleinen Anteils (1–20%) der Rayleigh-Rückstreuung, aber nicht des Rests des Spektrums, selektiv reflektiert, absorbiert, streut, ablenkt, polarisiert oder anderweitig weiterleitet. Außerdem kann (können) die Filtervorrichtung(en) mit den Kopplern 4a, 4b kombiniert werden.
Obwohl die Verwendung der Rayleigh- und Anti-Stokes-Raman-Spektralbänder bevorzugt ist, können irgendwelche geeigneten Spektralbänder ausschließlich jener bei einer zweiten Wellenlänge λ₊₁, die gleich der längeren der zwei Wellenlängen der optischen Strahlung ist, die aus der inelastischen Streuung (Raman und/oder Brillouin) des Lichts mit der Wellenlänge λ₀ in der Faser resultiert, verwendet werden. Weil die Messungen nicht auf der Grundlage der optischen Strahlung mit λ₊₁ ausgeführt werden, kann das System so konstruiert werden, dass es einen hohen Verlust bei λ₊₁ besitzt, wobei dadurch die Intensität des Lichts mit dieser Wellenlänge in der Faser verringert und der Beginn der stimulierten Streuung verzögert wird. Außerdem ist der Wellenlängenbereich, über den die Faser einen niedrigen Verlust aufweisen muss, schmaler. In dieser Hinsicht liegt für ein λ₀ zwischen 1550 und 1650 nm die Trennung zwischen jeder der Wellenlängen λ₀, λ_–1 und λ₊₁ in der Größenordnung von 100 nm. Die Faserverluste sind über diesen Wellenlängenbereich oder über den Intensitätsbereich der Signale nicht gleichmäßig, wobei die Gesamtsystemverluste folglich höher sind, als wenn näher bei der Mitte des Übertragungsfensters gearbeitet würde. Über mehrere zehn Kilometer können selbst kleine Unterschiede (z. B. 0,1 dB/km) eine große Wirkung auf die Systemleistung besitzen.
Die Verwendung des rayleigh-gestreuten Signals anstelle des Stokes-Signals als eine Referenz ist außerdem vorteilhaft, weil es ein viel stärkeres Signal ist. Folglich kann die Messzeit, die erforderlich ist, um die Referenz zu erfassen, verringert werden, wobei die Empfindlichkeit des Verhältnisses der Anti-Stokes- zu den Rayleigh-Signalen verbessert wird. Außerdem können die Reflexionen von den Verbindern, die außerdem eine starke Rayleigh-Rückstreuung aufweisen, bei der Konstruktion des Vorverstärkers behandelt werden, indem die Empfindlichkeit (die Rauschleistung) für einen größeren Dynamikbereich geopfert wird.
Die Richtkoppler 4a, 4b könnten alle dichroitische Lichtleitfaser-Strahlteiler (die außerdem als Wellenlängen-Multiplexer bekannt sind), die die sich vorwärts und rückwärts bewegenden Wellen und die Wellenlängen vorgegebener Werte trennen, oder Vorrichtungen, die einem ähnlichen Zweck dienen und die aus Volumenoptik, integrierter Optik oder einer Mischung aus Volumenoptik und Faseroptik gebildet sind, sein.
Für die Verwendung mit einer Einmodenfaser 2, wie in 4(A) gezeigt ist, können jeweilige verschmolzene Taper-Koppler 4a, 4b zweckmäßig verwendet werden. Die Übertragungskennlinie des ersten Richtkopplers 4a ist in 4(B) gezeigt. Der Kopplungskoeffizient dieser Vorrichtung 4a kann so konstruiert sein, dass er sich sinusförmig mit der Wellenlänge im interessierenden Wellenbereich ändert, um einen hohen Bruchteil des in das Tor 4 eintretenden Lichts zum Tor 2 zu übertragen, vorausgesetzt, dieses Licht liegt bei der Testwellenlänge λ₀ (oder höheren Wellenlängen geradzahliger Ordnung λ_±2, ...), um einen kleinen aber endlichen Anteil (1 bis 20%) des Rücksignals mit λ₀ zwischen den Toren 2 und 1 zu übertragen und um einen hohen Bruchteil des Lichts mit der Wellenlänge λ_–1, das in das Tor 2 eintritt, zum Tor 1 zu übertragen.
Folglich sollte in der Praxis λ₀ vom Tor 4 zum Tor 2 bei minimalem Verlust durchgehen, während λ_–1 von dem Tor 2 zum Tor 1 bei minimalem Verlust durchgehen sollte. Dies ist möglich, weil die Wellenlängen verschieden sind. Weil λ₀ außerdem vom Tor 2 zum Tor 1 durchgehen sollte, sollten einige Beschränkungen der Übertragung bei der gleichen Wellenlänge von den Toren 4 zu 2 auferlegt sein, in der Praxis kann das Dilemma aber gelöst werden, indem der Übertragungswirkungsgrad für die Rayleigh-Streuung (d. h. von 2 zu 1 bei λ₀) geopfert wird, weil die Rayleigh-Streuung so viel intensiver als die Raman-Streuung ist.
Die Übertragungskennlinie des zweiten Richtkopplers 4b ist so, dass ein hoher Bruchteil des Lichts mit λ_–1, das in das Tor 3 eintritt, zum Tor 4 übertragen wird, und ein hoher Bruchteil des Lichts mit λ₀, das in das Tor 3 eintritt, zum Tor 1 übertragen wird, aber dass wenig Licht mit λ_–1 vom Tor 3 zum Tor 1 übertragen wird und wenig Licht mit λ_–0 vom Tor 3 zum Tor 4 übertragen wird.
Den Detektoren 7a, 7b folgen jeweilige rauscharme Vorverstärker 8 (8a und 8b) (und möglicherweise weitere nicht gezeigte Stufen der Verstärkung und elektrischen Filterung). Die auf diese Weise erzeugten elektrischen Signale werden in digitale Signale umgesetzt und durch einen Prozessor 9 verarbeitet, der daraus eine Menge von Messergebnissen erzeugt, in dieser Ausführungsform basierend auf einem Verhältnis der Anti-Stokes- und Rayleigh-Signale, die eine Verteilung längs der Faser 2 von einem Ende A zu ihrem anderen Ende B repräsentieren. Die 5(A) und 5(B) zeigen eine derartige Temperaturverteilung, wenn die Messungen für nicht von der Temperatur abhängige Variationen der Dämpfung geeicht und eingestellt worden sind. Dieser Prozess wird vorzugsweise über viele zurückgeschickte Impulse wiederholt und gemittelt, um die Temperaturverteilung längs der Faser in einer ausreichenden Genauigkeit zu berechnen. Der Prozessor 9 kann außerdem z. B. die Quelle 1, die ausgewählte Faser 2 oder das Filter 5 steuern. Im Idealfall werden für jeden Laserimpuls Abtastwerte von jedem auflösbaren Punkt längs der Faser erfasst; d. h., die ganze Faser wird quasi gleichzeitig gemessen. Dies ist weniger zeitraubend als die Alternative des Abtastens an einem einzigen Punkt in der Faser, bis ein angemessener Rauschabstand erreicht ist, und dann des Bewegens des Abtastpunkts längs der Faser. Die Ergebnisse können weiter verbessert werden, indem die Messung von jedem Ende der Faser ausgeführt wird, um die durch Temperaturfluktuationen verursachten Variationen im Signal von denen auf Grund des Faserverlusts zu trennen, wobei aus diesem Grund einige der in 4(A) gezeigten Fasern 2 in sich selbst rückgeschleift sind (wobei dies offensichtlich nicht so sein muss). Für die Berechnung des geometrischen Mittelwerts der von beiden Enden der Faser gemessenen zurückgestreuten Signale, die von einem speziellen Ort zurückkehren, können die Wirkungen irgendwelcher Ausbreitungsverluste eliminiert werden, wobei nur die Wirkungen der Änderungen der Rückstreuung des injizierten Signals übriggelassen werden, d. h. die Änderungen der numerischen Apertur oder des Streukoeffizienten im interessierenden Spektralband.
Um die Wirkungen der Ausbreitungsverluste in der Faser auf die Ergebnisse zu bestimmen und dadurch zu verringern, während außerdem die für die erfasste Messgröße relevanten Daten gesammelt werden, werden gemäß der vorliegenden Erfindung zwei Mengen von Messungen ausgeführt, eine bei der Testwellenlänge λ₀, bei der die Spektralbänder bei λ₀ und λ_–1 gemessen werden, und die andere bei der Wellenlänge λ_–1, bei der das Spektralband bei λ_–1 gemessen wird.
Insbesondere wird die Erfassung (z. B. der Temperatur) ausgeführt, indem Licht mit der Wellenlänge λ₀ eingeleitet wird und die entsprechende Anti-Stokes-Strahlung mit der Wellenlänge λ_–1 erfasst wird. Um die Faser zum Zeitpunkt der Messung zu charakterisieren, werden zwei weitere Messungen bei den relevanten Wellenlängen, nämlich λ₀ und λ_–1', ausgeführt. Die Wellenlänge λ_–1' stimmt mit der Anti-Stokes-Wellenlänge von λ_–1' überein, wird aber als λ_–1' bezeichnet, um die Verarbeitungskorrekturen zu berücksichtigen, die auszuführen sind, falls Fehler im Wellenlängenauswahlprozess auftreten. Unter den meisten praktischen Umständen sind diese Fehler jedoch vernachlässigbar. Die erste dieser Messungen kann erhalten werden, indem außerdem die Rayleigh-Streuung gemessen wird, wenn Licht mit λ₀ für die Erfassungsmessung (entweder gleichzeitig oder anschließend) in die Faser eingeleitet wird, und im zweiten Fall durch das Einleiten bei λ_–1' und das Messen der Rayleigh-Streuung erhalten werden.
Diese zwei Messungen bei λ₀ und λ_–1' eichen nicht nur die Verluste in situ so genau wie möglich, sondern sie entfernen außerdem in einem beträchtlichen Maß die Wirkungen der Änderungen der Fasereigenschaften (z. B. der numerischen Apertur oder des Kerndurchmessers) längs der Faser. Die Empfindlichkeit für diese Wirkungen wird um einen Faktor von etwa 20 verringert, hauptsächlich weil sie alle drei Messungen in einer ähnlichen Weise beeinflussen. Eine Vergrößerung der numerischen Apertur der Faser längs ihrer Länge (die sich z. B. aus Prozesstoleranzen ergibt) würde zu einer Vergrößerung des Erfassungswirkungsgrades des gestreuten Lichts führen, d. h. zu einer Vergrößerung des Rückstreusignals, die als eine Zunahme der Temperatur interpretiert werden würde, falls nur die Streuprozesse von λ₀ zu λ_–1 berücksichtigt werden würden. Um die erfassten Parameter zu berechnen, kann eine Signalform, die durch die Normierung der Streumessung von λ₀ zu λ_–1 auf den geometrischen Mittelwert der zwei Referenzmessungen, nämlich die Rückstreumessungen von λ₀ zu λ₀ und von λ_–1' zu λ_–1', erhalten wird, verwendet werden. Diese leiden an fast völlig gleichen Verzerrungen auf Grund der Änderungen der Fasereigenschaften, wobei sie diesen Fehlertyp folglich größtenteils eliminieren. Falls sich z. B. an einem Punkt längs der Faser die numerische Apertur um 10% ändern würde, würde dies ohne Normierung zu einer Änderung des Rückstreupegels von 22% führen, was wiederum (bei der Temperaturerfassung) zu einem Fehler von etwa 28°C führen würde; unter Verwendung des vorgeschlagenen Signalverarbeitungsverfahrens würde ein derartiger Fehler jedoch auf weniger als 1°C verringert werden.
Obwohl zwei separate Quellen verwendet werden können, um das Licht mit den Wellenlängen λ₀ bzw. λ_–1' bereitzustellen, ist es zweckmäßig, eine einzige Laserquelle bei λ_–1' zu verwenden und λ₀ durch stimulierte Umsetzung in einer der Quelle zugeordneten Faser zu erzeugen, wie in 6 gezeigt ist.
In der Anordnung nach 6 wird das durch eine Quelle 1 erzeugte Licht mit der Wellenlänge λ_–1' in das Tor 1 eines ersten Kopplers D eingeleitet, der so betreibbar ist, um einen kleinen Anteil (etwa 10%) des Lichts mit λ_–1' zu seinem Tor 2 zu übertragen, mit dem ein Ende einer Verzögerungsleitung 21 verbunden ist, und um den Rest des Lichts (etwa 90%) zu seinem Tor 3 zu übertragen, mit dem ein Ende eines Stücks einer Faser 22 mit einem hohen Raman- Verstärkungsfaktor verbunden ist. Die Raman-Verschiebungsfaser 22 setzt das meiste des Lichts mit λ_–1' durch stimulierte Raman-Streuung in die erste Raman-Stokes-Wellenlänge um, d. h. in Licht mit λ₀, setzt aber keinen signifikanten Anteil in die zweite Raman-Stokes-Wellenlänge um. Das andere Ende der Raman-Verschiebungsfaser 22 ist mit einem Bandpassfilter 52 verbunden, das so betreibbar ist, um Licht mit λ₀ auszugeben.
Es würde möglich sein, die gesamte Laserausgabe bei λ_–1' in die Raman-Verschiebungsfaser 22 einzuleiten und die λ_–1'- und λ₀-Ausgaben (die beide erforderlich sind) später abzutrennen; dies ist jedoch etwas weniger erwünscht, weil die bei λ_–1' verbleibende Leistung wahrscheinlich weniger stabil als die ursprüngliche Leistung ist, was zu praktischen Schwierigkeiten bei der Einrichtung und dem Betrieb des Instruments führt.
Die erforderliche Länge der Raman-Verschiebungsfaser 22 kann mäßig sein, insbesondere wenn eine die Polarisation beibehaltende Faser mit einem sehr großen Brechungsindex-Unterschied verwendet wird. Bei einer kommerziell verfügbaren die Polarisation beibehaltenden Einmodenfaser (mit hoher Doppelbrechung) (z. B. HB1550 von Fibercore Ltd., Chandler's Ford, UK) mit einer numerischen Apertur von 0,15 ist eine eingeleitete Leistung von etwa 100 W bei λ_–1' = 1530 nm ausreichend, um eine effiziente Umsetzung in die erste Stokes-Wellenlänge λ₀ = 1640 nm in einer Faserlänge von etwa 130 m zu erhalten. Unter Verwendung einer Standard-Einmodenfaser, die normalerweise viel billiger ist, würden typischerweise 50-W-Impulse erforderlich sein, um einen hohen Umsetzungswirkungsgrad in 800 m der Faser zu erhalten, oder 100 W in 400 m der Faser erforderlich sein.
Aus Gründen, die später beschrieben werden, beträgt für einen Bereich von etwa 30 km der optimale Wert der Wellenlänge λ₀ etwa 1640–1650 nm. Dies stimmt mit der ersten Raman-Stokes-Wellenlänge eines erbium-dodierten Faserlasers überein (erbium-dodierte Fasern besitzen um 1530–1540 nm Spitzenverstärkungsfaktoren), daher würde ein gütegeschalteter erbium-dodierter Faserlaser, der bei 1537 nm arbeitet, bei einem gegebenem λ₀ von 1648 nm eine besonders zweckmäßige Wahl der Quelle für diesen Bereich sein.
Eine bevorzugte Art, um λ₀ aus λ_–1' zu erzeugen, ist in 7 gezeigt. Wie in 6 wird das Licht mit λ_–1' durch den ersten Koppler D in zwei Komponenten aufgespalten, wobei ein kleiner Anteil (etwa 10%) des Lichts vom Tor 1 zum Tor 3 durchgeht, das mit einer optischen Verzögerungsleitung 21 und einem optionalen Bandpassfilter 51, das betreibbar ist, um Licht mit λ_–1' auszugeben, verbunden ist, während der Rest (etwa 90%) vom Tor 1 zum Tor 2 übertragen wird. Das Tor 2 ist mit einem Ende einer Strecke der Wellenlängenverschiebungsfaser 22 verbunden, deren anderes Ende reflektiert, so dass das Licht mit λ_–1' effektiv durch das Doppelte der Länge der Faser 22 gestreut wird, wobei es zu λ₀ umgesetzt wird, indem es in dieser Weise ausführt. Dies erlaubt, dass die erforderliche Länge der Wellenlängenverschiebungsfaser 22 halbiert wird. Außerdem ist diese Anordnung für den Fall geeignet, in dem die Anti-Stokes-Brillouin-Linie zu messen ist, die Brillouin-Streuung ist im Grunde ein Rückwärtsprozess, wobei in diesem Fall das andere Ende der Faser 22 nicht reflektierend sein muss. Der Koppler D ist betreibbar, um Licht mit λ₀ vom Tor 2 zum Tor 4 zu übertragen, das mit einem Bandpassfilter 52 verbunden ist, das betreibbar ist, um Licht mit λ₀ zu übertragen.
Es ist klar, dass die Probleme des Einleitens und des Sammelns der verschiedenen Wellenlängen schwierig zu lösen sein können, falls tatsächlich eine einzeln ausgelöste Quelle verwendet wird, d. h. eine, in der die verschiedenen Wellenlängen durch dieselbe Quelle erzeugt werden und nicht unabhängig ein- und ausgeschaltet werden können. Derartige Schwierigkeiten können nur durch irgendeine Form der Umschaltung gelöst werden.
Die Umschaltung könnte am Ausgang der Quelle 1 mittels eines steuerbaren Filters (z. B. mechanisch unter Verwendung eines Filterrades, eines Fabry-Perot-Etalons oder einer Monochromator-Anordnung oder unter Verwendung verschiedener Mittel des elektrischen Abstimmens der Übertragung, z. B. Akustooptik, Elektrooptik, einer Flüssigkristallzelle und vielen anderen) ausgeführt werden. Alternativ könnte die Umschaltung durch das Trennen der optischen Signale in getrennte Wege und das Ein- und Ausschalten dieser unter Verwendung elektrooptischer, akustooptischer oder sogar mechanischer Schalter ausgeführt werden.
Obwohl der Schalter eine integrierte Optik enthalten könnte, ist es zweckmäßig ein mechanischer Faser-zu-Faser-Schalter, weil dieser verlustarm, relativ billig und verfügbar ist. Eine derartige Anordnung, die relativ einfach zu implementieren ist, ist ein in 6 gezeigter Schleifen- und Eingangsauswahlschalter 10. In diesem Fall ist es notwendig, darauf zu vertrauen, dass das Übersprechen des Schalters sehr niedrig ist, (so dass nur eine Faser zu irgendeinem Zeitpunkt angesprochen wird), und außerdem auf die sehr niedrige Wahrscheinlichkeit zu vertrauen, dass eine ausgerichtete Position für eine Eingangsfaser dazu führt, dass die zweite Eingangsfaser außerdem Licht in eine weitere Faser des Ausgangsbündels einleitet.

Die in 6 gezeigte Anordnung verwendet ein Netz aus den verschmolzenen Taper-Faserkopplern A, B, C und D. Das Tor 1 des Kopplers A ist mit dem Bandpassfilter 52, das λ₀ durchlässt, verbunden, das Tor 2 des Kopplers A ist mit dem Schalter 10 verbunden und das Tor 4 des Kopplers A ist mit dem Tor 2 des Kopplers B verbunden. Das Tor 1 des Kopplers B ist mit einem kombinierten Filter 5b und einem Detektor 7b für den Empfang von Licht mit λ₀ verbunden, das Tor 4 des Kopplers B ist mit einem weiteren kombinierten Filter 5a und einem Detektor 7a für den Empfang von Licht mit λ_–1 verbunden und das Tor 3 des Kopplers B ist mit dem Tor 1 des Kopplers C verbunden. Das Tor 2 des Kopplers C ist mit dem Schalter 10 verbunden und das Tor 4 des Kopplers C ist mit der Verzögerungsleitung 21 verbunden. Es ist erwünscht, aber nicht wesentlich, dass die Übertragungskennlinien der Koppler A, B, C und D so sind, wie in der folgenden Tabelle gezeigt ist:

KOPPLER	TORE	λ₀	λ_–1
A	1–2 u. 3–4	10%	0%
A	1–3 u. 2–4	90%	100%
B	1–2 u. 3–4	100%	10%
B	1–3 u. 2–4	0%	90%
C	1–2 u. 3–4	beliebig	50%
C	1–3 u. 2–4	beliebig	50%
D	1–2 u. 3–4	beliebig	10%
D	1–3 u. 2–4	beliebig	90%

Es ist wichtig, sicherzustellen, dass der Weg von der Erfassungsfaser 2 durch die Koppler A zu B zum λ_–1-Detektor 7a den niedrigstmöglichen Verlust besitzt. Es ist ein gewisser Kompromiss geschlossen worden, um eine nominelle 10%-Übertragung von Tor 3 zu 4 des Kopplers B zu erlauben, um die Rayleigh-Rückstreuung, wenn Licht mit λ_–1 in die Faser 2 eingeleitet worden ist, den λ_–1-Detektor 7a erreichen zu lassen. Die für die Kopplerübertragungen angegebenen Werte sind lediglich hinweisend (100% bedeutet "so hoch wie möglich", 0% bedeutet "so wenig wie möglich", 90% bedeutet "eine nicht ganz volle Übertragung" und 10% bedeutet "eine kleine aber endliche Übertragung"). In
6 sind alle unbenutzten Kopplereingänge für eine niedrigere Reflexion abgeschlossen. Sie können für die Leistungsüberwachung verwendet werden.
Obwohl die unter Bezugnahme auf die 6 und 7 beschriebenen Anordnungen völlig auf verschmolzenen Taper-Kopplern basieren, die infolge der mit derartigen Kopplern verfügbaren niedrigen Verluste bevorzugt sind, können offensichtlich die gleichen Funktionen in Volumenoptik (oder sogar in integrierter Optik) implementiert sein.
Alternativ können separate Quellen verwendet werden, um die Impulse mit λ₀ und λ_–1 zu erzeugen, wobei in diesem Fall die Elemente 21, 22 und 52 und der Koppler D entfernt sein würden und die bei λ_–1 emittierende Quelle direkt mit dem Tor 4 des Kopplers C verbunden sein würde, wobei die bei λ₀ emittierte Quelle mit dem Tor 1 des Kopplers A verbunden sein würde.
Obwohl es angegeben werden sollte, dass die tatsächlich erhaltenen Werte sich offensichtlich in Abhängigkeit von der verwendeten Erfassungsfaser und den Bedingungen, unter denen die Messungen ausgeführt werden, ändern, veranschaulichen die 8, 9 und 10 beispielhaft die unter Verwendung des obenbeschriebenen Signalverarbeitungsverfahrens in einer Anordnung, die eine Einmoden-Stufenindexfaser ohne Dispersionsverschiebung mit einem Kern-Berechnungsindex von 1,45, einer numerischen Apertur von 0,123 bei Entfernungen unter 22,5 km und von 0,135 über diese Entfernung, einer Grenzwellenlänge von 1,33 μm und einem nominellen Kernradius von 4,15 μm (aber zwischen 15 km und 18 km und jenseits von 36 km um 10% über diesen Wert erhöht) umfasst, erhaltenen Ergebnisse, wenn λ₀ 1,648 μm beträgt, die Raman-Verschiebung 440 cm^–1 beträgt und der Fehler zwischen λ_–1' und λ_–1 als vernachlässigbar angenommen wird. 8 zeigt die Variation des Anti-Stokes-Rückstreusignals (bei 0 km auf 1 normiert) mit der Entfernung in dieser Faser, ohne dass irgendeine Zugabe für Ausbreitungsverluste gemacht worden ist; die Abweichungen von einer Gerade in dieser logarithmischen graphischen Darstellung sind den obenerwähnten Unstetigkeiten in den Kennlinien der Faser und der Vergrößerung der Temperatur in einem einzigen Abschnitt der Faser zwischen 45 km und 47 km zuzuschreiben. 9 zeigt das Signal, wobei die Wirkung der Ausbreitungsverluste entfernt ist; die Variation des Rückstreu-Erfassungsbruchteils längs der Faser verursacht jedoch immer noch eine Verzerrung. Wenn das Anti-Stokes-Rückstreusignal punktweise durch den geometrischen Mittelwert der zwei Rayleigh-Streumessungen bei λ₀ und λ_–1' geteilt wird, wird die in 10 gezeigte graphische Darstellung erhalten.
Die Kurve in 10, die die Funktion ist, die die unter Verwendung der vorgeschlagenen Form der Signalverarbeitung erhaltenen Temperaturinformationen enthält, zeigt den erwarteten Fehler, der durch die Änderungen des Faserkerndurchmessers (10%-Änderung bei 15–17 km) und der numerischen Apertur der Faser (10%-Änderung bei 22,5 km) und die kombinierte Wirkung der erhöhten numerischen Apertur und des Kerndurchmessers jenseits von 36 km verursacht wird. Um einen Eindruck für den Maßstab zu erhalten, zeigt das Merkmal zwischen 45 km und 47 km die Wirkung einer lokalisierten Zunahme der Temperatur um 10°C. Wie zu sehen ist, führen die Änderungen des Kerndurchmessers und der numerischen Apertur zu einem Messfehler von etwas über 1°C.
Die in der Vorrichtung, die die vorliegende Erfindung verkörpert, verwendeten Fasern 2 können in Abhängigkeit von der speziellen Anwendung Mehrmoden-, Einmoden- oder Einzelpolarisationstypen sein. Wenn es nicht anders angegeben ist, verwenden die in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Beispiele eine verlustarme dispersionskompensierte Faser mit einem Minimum des linearen Dämpfungskoeffizienten bei 1550 nm. Der Dämpfungskoeffizient für einen derartigen Fasertyp ist in 11 gezeigt.
Für die maximale Dispersionskompensation ist es erwünscht, dass die Faser eine Einmodenfaser ist. Während die Messungen an Einmodenfasern nicht immer die bestmögliche Leistung liefern, besitzen sie außerdem den Vorteil der Verwendung einer verhältnismäßig billigen Faser und, wichtiger, oft einer Faser, die bereits längs der zu überwachenden Struktur, z. B. von Leistungskabeln, installiert ist.
Eine für die Verwendung mit einer derartigen Faser 2 geeignete Quelle 1 erzeugt Impulse optischer Strahlung, die bei einer ausgewählten Wellenlänge eine typische Halbwertsdauer von 40 bis 80 nm besitzen und die eine Spitzenleistung besitzen, die zwischen etwa 1 W und vielen zehn Watt variiert werden kann. Die Quelle ist zweckmäßig aber nicht notwendig ein amplitudenmodulierter Halbleiterlaser, dessen Ausgabe durch einen Er-dotierten (erbiumdotierten) Faserverstärker verstärkt wird, bevor sie in die Erfassungsfaser eingeleitet wird. Diese Quelle besitzt den Vorteil, dass sie von vielen Lieferanten von Telekommunikationsausrüstung verfügbar ist und dass sie außerdem erlaubt, dass die durchschnittliche in die Faser eingeleitete Leistung unter Verwendung von Impulskompressions-Codierungsschemata vergrößert wird. Derartige Schemata sind infolge der Leichtigkeit der Modulation des Halbleiterlasers durch die Variation seines Vorstroms relativ einfach zu implementieren.
Alternativ kann die Quelle 1 ein diodengepumpter Festkörperlaser, insbesondere ein gütegeschalteter Er-dotierter Faserlaser sein, dessen Ausgangs-Spektralbreite vorzugsweise unter 20 nm bei einer Impuls-Halbwertsbreite ist, die durch das Variieren der Länge der Faser in seinem Hohlraum gesteuert werden kann. Ein derartiger gütegeschalteter Laser, der billiger als die obenerwähnte Quelle ist, kann unter Verwendung eines Halbleiterlasers bei 980, 1480 oder 810 nm oder bei 514 nm unter Verwendung anderer Laser, wie z. B. Ti:Saphir-Laser, bestimmter Farbstofflaser und dergleichen, gepumpt werden. Es ist wahrscheinlich, dass die Halbleiterlaser die zweckmäßigste Pumpquelle sind, die potentiell billig, energieeffizient und kompakt ist.
Es ist eine weitere Alternative, dass die Quelle 1 ein Volumenoptik-Er:Glas-Laser ist.
Die Steuerung der Impulsbreite der verwendeten Quelle ist erforderlich, um für bestimmte Fasertypen die injizierte Energie durch die Vergrößerung ihrer Spitzenleistung und/oder Dauer zu maximieren, weil dies die Temperaturauflösung der Vorrichtung bestimmt, während eine minimale räumliche Auflösung aufrechterhalten wird, die bei einer vergrößerten Impulsdauer verschlechtert ist.
Um einen hohen Verlust bei λ₊₁ zu erreichen, während die niedrigen Verlusteigenschaften der Faser bei den interessierenden Wellenlängen beibehalten werden, kann eine oder mehrere der folgenden Techniken verwendet werden (obwohl angegeben werden sollte, dass andere geeignete Techniken, die im Folgenden nicht beschrieben sind, verwendet werden könnten). Diese Techniken sind für den Fall beschrieben, in dem die Messungen auf dem rayleigh-gestreuten Signal mit λ₀ und dem Anti-Stokes-Raman-Signal mit λ_–1 basieren, sie können aber leicht (wo es nötig ist) an Situationen angepasst werden, in denen andere Spektralbänder zu verwenden sind.
Eine größere Dämpfung bei der Stokes-Wellenlänge λ₊₁ kann erreicht werden, indem λ₀ so ausgewählt wird, dass λ₀ und λ_–1 etwa symmetrisch um ein Übertragungsfenster liegen, d. h. auf beiden Seiten eines lokalen Dämpfungsminimums. λ₀ kann jedoch so ausgewählt werden, dass λ₊₁ mit einem lokalen Absorptionsmaximum übereinstimmt (oder im Wesentlichen am kurzwelligen Rand eines derartigen Maximums liegt), das z. B. auf das IR-Absorptionsband oder auf Absorptionsbänder, die durch natürlich auftretende oder dotierte Störstellen in der Faser verursacht werden, zurückzuführen ist. Zweckmäßig ist der langwellige Rand des Übertragungsbandes bei 1550 nm das IR-Absorptionsband (siehe 11), wobei λ₀ so ausgewählt werden kann, dass der Verlust bei λ₊₁ wenigstens 3 mal höher ist, als wenn λ₀ und λ_–1 symmetrisch um die Mitte des Übertragungsfensters angeordnet wären, was zu einer deutlichen Zunahme des nutzbaren Leistungspegels führt. Infolge natürlich auftretender Störstellen, wie z. B. Hydroxidionen und Wasserstoffgas, treten lokale Absorptionsmaxima in den Fasern auf. Das lokale Absorptionsmaximum für Hydroxidionen liegt bei 1390 nm, daher könnte ein λ₀ von etwa 1310 nm zweckmäßig verwendet werden, (oder von 1320 nm bei Verwendung einer Nd:YAG-Quelle). Wo es möglich ist, eine spezielle Faser zu verwenden, kann sie dotiert werden, z. B. mit Ionen seltener Erden, um ein lokales Dämpfungsmaximum bei λ₊₁ bereitzustellen. Ähnlicher Nutzen könnte aus den lokalen Absorptionsmaxima gezogen werden, die durch bereits in der Faser vorhandene Dotierstoffe geschaffen werden.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, eine spezielle Faser mit eingebauten Gittern vorzusehen, die z. B. durch die Farbzentren-Erzeugung unter UV-Beleuchtung erzeugt werden. Diese eingebauten Gitter können gebildet werden, indem das Brechungsindex-Profil des Kerns der Faser moduliert wird, wie in 12 gezeigt ist. Die Tiefe d_m dieser Modulation kann typischerweise 3 × 10^–4 oder kleiner sein. Derartige Gitter sind in einer im hohen Grade wellenlängenspezifischen Weise reflektierend, wobei sie entweder kontinuierlich oder in Intervallen überall in der Faser enthalten sein können, um die Zunahme von Leistung bei λ₊₁ zu verhindern.
Alternativ kann es möglich sein, dafür zu sorgen, dass λ₊₁ beträchtlich höhere auf die Biegung zurückzuführende Verluste als λ₀ oder λ_–1 besitzt. Dies kann ausgeführt werden, ohne die Faser zu stören, indem λ₀ so gewählt wird, dass sie bezüglich der Grenzwellenlänge der Faser so lang wie möglich ist. In der Praxis leidet eine gegebene Faser an zunehmendem Biegungsverlust, wie die Wellenlänge von der Mitte des Übertragungsfensters zunimmt. Falls möglich, könnten Biegungen absichtlich in der Faser hervorgerufen werden, entweder längs ihrer Gesamtlänge durch irgendeine Form der Struktur in dem Kabel, z. B. eine schraubenförmige Anordnung, eine Riffelung innerhalb des Kabels oder eine zufällige Rauhigkeit, oder in Intervallen längs der Faser, z. B. durch das Anwenden einer periodischen mechanischen Störung, wie in den 13(A) und 13(B) gezeigt ist. In jedem Fall werden die Krümmungen in ihrer Amplitude, ihrem Krümmungsradius und ihrer Periodizität so gewählt, um den Verlust bei λ₊₁ zu vergrößern, während sie eine minimale Wirkung auf die anderen interessierenden Wellenlängen besitzen.
Ein Verfahren des Anwendens einer periodischen mechanischen Störung auf eine Faser ist in 13(A) gezeigt. Unter Verwendung dieses Verfahrens kann eine typische installierte Einmodenfaser, in der ein kurzes Stück, z. B. einige zehn Meter, in eine Spule mit einem sorgfältig gewählten Durchmesser d₁ gebogen und in einer Schutzhülle untergebracht worden ist, einen Verlust von etwa 10 dB bei λ₊₁ bei einem um nur 0,1 dB vergrößerten Verlust bei λ₀ besitzen.
Ein weiteres Verfahren des Anwendens einer derartigen Störung auf eine Faser ist in 13(B) gezeigt. Die Amplitude d₂ und die Periode s sind so gewählt, um die Dämpfung bei λ₊₁ zu maximieren, während die Dämpfung bei λ₀ und λ_–1 minimiert ist.
Eine noch weitere Möglichkeit besteht darin, z. B. unter Verwendung einer Faser mit einem Brechungsindex-Profil, wie es in 14 gezeigt ist, eine Wellenleiterstruktur der Faser zu konstruieren, um den Verlust bei λ₊₁ zu vergrößern, während die Dämpfung bei λ₀ und λ_–1 minimiert wird. Typischerweise würde die Beziehung zwischen dem Kernradius (a) und dem Radius des inneren Mantels (a') lauten: 1,2a < a' < 3a.
Die Brechungsindizes des Kerns, des inneren Mantels und des äußeren Mantels sind durch n₁, n₁' und n₂ dargestellt, wobei sie typischerweise die folgende Beziehung besitzen würden: 5(n1 – n2) > n2 – n1' > 0,2(n1 – n2).
Eine weitere Technik, um einen hohen Verlust bei λ₊₁ hervorzurufen, besteht darin, ein "Schutz"-Signal mit einer Wellenlänge λ₊₂, wobei λ₊₂ = λ₊₁ plus die Wellenlängenverschiebung auf Grund eines inelastischen Streuprozesses ist, gleichzeitig mit einem Signal mit λ₀ in die Faser einzuleiten. In dieser Weise wird das Licht mit λ₊₁, sobald es durch die spontane Emission erzeugt wird, durch stimulierte Streuung in Licht mit λ₊₂ umgesetzt, wobei dadurch die Zunahme von Licht mit λ₊₁ verhindert wird und folglich der Beginn der Probleme verzögert wird, die auf die stimulierte Streuung von Licht mit λ₀ zurückzuführen sind.
Diese Technik wird unter Bezugnahme auf 15(A) weiter erklärt, die Schutzsignal-Erzeugungsmittel 12 zeigt, die ein Schutzsignal mit λ₊₂ erzeugen, der Raman-Stokes-Wellenlänge zweiter Ordnung. Die Schutzsignal-Erzeugungsmittel 12 sind vorzugsweise zwischen der Quelle 1 und dem ersten Richtkoppler 4a in der Vorrichtung nach 4(A) angeordnet, so dass die optische Strahlung gleichzeitig bei den zwei Wellenlängen λ₀ und λ₊₂ in den Koppler 4a eingeleitet wird.
Das in die Schutzsignal-Erzeugungsmittel 12 in 15(A) eintretende Quellsignal λ₀ wird entweder durch einen Signalteiler 123, z. B. einen, der aus Volumenoptik hergestellt ist, oder einen reinen Faser-Richtkoppler, wie z. B. einen verschmolzenen Taper-Koppler oder einen polierten Koppler, in zwei Komponenten 121, 122 aufgespalten. Die Komponenten 121, 122 gehen dann durch jeweilige Stücke gewundener Faser 21, 22, wobei eines eine Faser 22 mit verbesserten Raman-Streueigenschaften umfasst, während das andere 21 als eine Verzögerungsleitung mit niedriger Raman-Verstärkungskennlinie wirkt. Die Raman-Streueigenschaften der Faser 22 können in einer Anzahl von Arten verbessert werden. Die Faser 22 kann z. B. mit GeO₂ dotiert werden, oder sie kann so gewählt werden, dass sie einen großen Brechungsindex-Unterschied besitzt (z. B. infolge einer großen Konzentration eines GeO₂-Additivs), was zu einem kleineren Modenfeld und folglich zu einer Vergrößerung der optischen Intensität führt, oder sie kann so gewählt sein, dass sie eine die Polarisation beibehaltende Faser ist, wobei dadurch der Verstärkungskoeffizient der stimulierten Streuung im Vergleich zu einer Faser, die die Polarisation nicht beibehält, verdoppelt wird (wobei deren Länge doppelt so groß wie die der die Polarisation beibehaltenden Faser sein müsste, um unter der Voraussetzung gleicher Bedingungen den gleichen Raman-Verstärkungsfaktor zu erreichen). Umgekehrt kann die Faser 21 der Verzögerungsleitung so hergestellt sein, dass sie einen verringerten Raman-Verstärkungsfaktor besitzt, indem der Indexunterschied und die GeO₂-Konzentration im Kern auf mäßigen Pegeln gehalten wird und eine Faser, die die Polarisation nicht beibehält, gewählt wird. Die Signale, die durch die Faser 22 mit hohem Raman-Verstärkungsfaktor gehen, werden durch stimulierte Raman-Streuung von λ₀ zu λ₊₂ umgesetzt, wobei die Signale, die durch die Faser 21 der Verzögerungsleitung gehen, die aus dieser austreten, eine etwa ähnliche Zeitverzögerung wie die gestreuten Signale in der anderen Faser besitzen. Die zwei getrennten Signale mit λ₀, λ₊₂ gehen dann über die Filter 151, 152 zu einem gemeinsamen Ausgang 124, wie z. B. einem dichroitischen Koppler oder anderen geeigneten Mitteln, bei denen die getrennten Signale rekombiniert werden. Falls keine Filterung 151, 152 enthalten ist, können viele Ordnungen der Stokes- und Anti-Stokes-Signale emittiert werden, was den Wirkungsgrad des Schutzsignals verringern kann.
Falls es möglich sein könnte, dass sich die Signale ohne eine vergrößerte Dämpfung ausbreiten, die in der zweiten Ordnung (λ₊₂) in der Faser vorhanden sind, könnte die aus der stimulierten Raman-Streuung resultierende Bereichsbeschränkung erhöht werden, wobei dann die Leistungsbeschränkung an die Quelle bei der ersten Wellenlänge λ₀ durch andere Effekte begrenzt werden würde. In der Theorie könnten mehrere Größenordnungen des Bereichs und der empfangenen Leistung von den zurückgestreuten Signalen gewonnen werden. In der Praxis wird jedoch die Leistung in der zweiten Ordnung λ₊₂ infolge der stimulierten Streuung selbst in eine dritte Ordnung λ₊₃ umgesetzt, wie sie sich längs der Erfassungsfaser ausbreitet, wobei ihre Wirkung als ein Schutzimpuls allmählich abnimmt. Dennoch können sehr nützliche Verstärkungsfaktoren beim Übertragen der Leistung erreicht werden, wobei ferner der Beginn der Raman-Streuung bei λ₊₂ unterdrückt oder verzögert werden kann, wie oben unter Bezugnahme auf die erste Ausführungsform beschrieben worden ist, während in der Tat ein dritter Impuls bei einer vierten Ordnung λ₊₄ (= λ₊₃ + Streuverschiebung) außerdem gleichzeitig mit der zweiten Ordnung λ₊₂ eingeleitet werden könnte, um die Verluste vom Signal bei der zweiten Ordnung λ₊₂ einzuschränken.
Dieser dritte Impuls (λ₊₄) kann aus dem λ₊₂-Impuls in der gleichen Weise abgeleitet werden, wie der λ₊₂-Impuls aus dem λ₀-Impuls abgeleitet wird, oder er kann von einer unabhängigen Quelle geliefert werden. Ein Koppler 113, der in 15(B) ausführlich gezeigt ist, kann mit dem Tor 2 des Kopplers 124 nach 15(A) verbunden sein, so dass der λ₊₄-Impuls in die Faser eingeleitet werden kann. Alternativ könnte der Koppler 113 zwischen den Koppler 124 und irgendeines der Filter 151 und 152 eingefügt sein.
Die bevorzugte Leistung in jeder Ordnung hängt selbstverständlich von der Dämpfung der relevanten Wellenlänge in der betroffenen Faser ab, was es notwendig macht, dass es möglich ist, die Leistung jedes Signals mit jeder Wellenlänge unabhängig von den anderen einzustellen, um die Ausbreitung des Testsignals mit der ersten Wellenlänge zu maximieren. Die Wellenlänge des Schutzimpulses muss außerdem innerhalb der Bandbreite des Raman-Verstärkungskoeffizienten für die Faser liegen, die für Siliciumdioxid-Fasern ziemlich breit ist (etwa 200 cm^–1), damit eine ausreichende Raman-Streuung bei jeder Wellenlänge auftritt. Die Breite oder die Dauer des Schutzimpulses sollte so gewählt sein, dass sie größer als die des Quellimpulses ist, um die chromatische Dispersion der zwei Signale über die interessierenden Stücke zu berücksichtigen.
Die Impulsbreite des Schutzsignals kann durch eine Fasernetz-Anordnung 112, wie sie z. B. 15(C) gezeigt ist, vergrößert werden, die zwischen die Raman-Verstärkungsfaser 22 und das Filter 152 eingefügt ist. Die Fasernetz-Anordnung 112 umfasst einen Strahlteiler, um das aus der Raman-Verstärkungsfaser 22 austretende Licht in zwei Komponenten aufzuspalten, und zwei Fasern 1221, 1222, um die jeweiligen Komponenten der Signale zu empfangen, wobei eine der Fasern 1222 länger als die andere ist, so dass die durch sie gehende Komponente um etwa die Hälfte der Impulsbreite verzögert wird. Die zwei Komponenten werden dann rekombiniert und zum Filter 152 geleitet.
Obwohl die oben erörterten Beispiele weitgehend unter Bezugnahme auf die Verhinderung der stimulierten Raman-Streuung beschrieben worden sind, sollte angegeben werden, dass ähnliche Techniken verwendet werden könnten, um in der Faser die Zunahme von Licht bei der Brillouin-Stokes-Wellenlänge erster Ordnung zu verhindern und dadurch den Beginn der Probleme, die auf die stimulierte Brillouin-Streuung zurückzuführen sind, zu verzögern.
Wie früher erwähnt worden ist, verringert die stimulierte Streuung außerdem den linearen Bereich der Messungen, die ausgeführt werden, wenn Fasern unter Verwendung optischer Zeitbereichs-Reflektometer charakterisiert werden. Weil in diesem Fall die Messungen bei einer im Voraus spezifizierten Wellenlänge an einer Standardfaser in einem wohlspezifizierten Verlegezustand ausgeführt werden müssen, gibt es keine Gelegenheit, die unter Bezugnahme auf die erste Ausführungsform erörterten Techniken zu verwenden, z. B. das Auswählen einer geeigneten Quellen-Wellenlänge, das Dotieren der Faser oder das verursachen von Biegeverlusten. Das Einleiten eines zweiten Impulses in die Faser als ein Schutzsignal würde jedoch unter den meisten Umständen einwandfrei sein und würde den linearen Messbereich vergrößern.
Unter Verwendung der oben beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen kann deshalb eine vergrößerte Leistung in die Faser eingeleitet werden, um den Erfassungsbereich zu vergrößern, bevor die nichtlinearen Effekte vorherrschend werden.
Im Allgemeinen wird die Testwellenlänge außerdem so gewählt, um den Übertragungsverlust für die spezielle Faser und die verwendeten Bedingungen zu minimieren, wie im Folgenden erklärt wird.
Wenn eine Testwellenlänge gewählt wird, ist es erwünscht, den durchschnittlichen Wert der Verluste bei der Testwellenlänge und den erfassten Wellenlängen zu berücksichtigen. Wenn eine Brillouin-Linie erfasst wird, ist die Frequenzverschiebung so klein, dass es keine merkliche Änderung des Verlusts zwischen den Wellenlängen gibt, wenn sie nicht künstlich (z. B. durch ein Schmalbandgitter) eingeführt wird, aber für die Raman-Linien ist die Frequenzverschiebung so, dass sie zu signifikanten Änderungen der Dämpfung führt. 16 ist eine graphische Darstellung, die den Verlust einer Einmodenfaser (Stufenindex, keine Dispersionsverschiebung, Kernbrechungsindex 1,45) als eine Funktion der Wellenlänge veranschaulicht. Die ausgezogene Kurve 207 repräsentiert den Verlust bei der Testwellenlänge λ₀, während die punktierte Kurve 208 den Verlust bei der Wellenlänge λ_–1 des Raman-Anti-Stokes-Signals zeigt, das sich aus einem Testimpuls mit der Wellenlänge λ₀ ergibt. Wie erwartet besitzt die ausgezogene Kurve 207 ein Minimum bei etwa 1550 nm, während der Anti-Stokes-Verlust ein Minimum besitzt, falls λ₀ bei etwa 1650 nm liegt (um ein Anti-Stokes-Signal beim Verlustminimum der Faser zu erzeugen). Wie durch die gestrichelte Kurve 209 gezeigt ist, die den durchschnittlichen Verlust [α(λ₀) + α(λ_–1)]/2 bei den zwei Wellenlängen λ₀, λ_–1 für ein gegebenes λ₀ repräsentiert, liegt der minimale Gesamtverlust für eine Testwellenlänge irgendwo dazwischen bei etwa 1590 nm.
Die Wahl der Testwellenlänge ist jedoch nicht immer so einfach, da die Dämpfung der Faser mit zunehmender Wellenlänge jenseits von 1550 nm infolge der Infrarotabsorption schnell zunimmt, so dass die Leistung, die in die Faser eingeleitet werden kann, bevor die nichtlinearen Effekte stattfinden, außerdem eine Funktion der Wellenlänge ist. 17 ist eine graphische Darstellung, die den Leistungspegel, bei dem der Faserverlust im Durchschnitt (über 80 km) um 0,01 dB/km infolge der stimulierten Raman-Streuung in einer Industriestandard-Einmodenfaser (NA = 0,123, Grenzwellenlänge = 1334 nm) zunimmt, als eine Funktion der Testwellenlänge veranschaulicht. Wie zu sehen ist, muss eine beträchtliche Zunahme der eingeleiteten Leistung verwendet werden, wie die Testwellenlänge zunimmt. Dies muss gegen Überlegungen zur Faserdämpfung ausgeglichen werden; ein derartiger Vergleich kann nur für eine spezielle Länge der Erfassungsfaser ausgeführt werden. Beispielhaft zeigt 18(A) die Faserverluste (die ausgezogene Kurve 210) für eine 30-km-Einmodenfaser (dB- Gesamtverlust nach der Zweiwegeausbreitung) zusammen mit einem Gewinnfaktor (die punktierte Kurve 211; der ebenfalls in dB, bei 1550 nm auf 0 dB normiert, gezeigt ist), die der Variation der zulässigen Einleitleistung bei der Testwellenlänge zuzuschreiben sind, wobei 18(B) die gleichen Daten in einem vergrößerten Maßstab zeigt. Die gestrichelte Kurve 212 (die durch den Unterschied zwischen der ausgezogenen und der punktierten Kurve gegeben ist) zeigt, wie das Einbeziehen der verbesserten Einleitleistung bei der längeren Wellenlänge für 30 km der Faser die optimale Wellenlänge von 1590 nm zu 1640 nm verschiebt. Es sollte angegeben werden, dass die Verwendung künstlicher Verfahren, um die stimulierte Streuung zu unterdrücken, diesen Wert ändern könnte.
Falls keine ausreichende Leistung geliefert werden kann, die durch nichtlineare Effekte begrenzt wird, kann folglich eine bevorzugte Testwellenlänge gewählt werden, die dem minimalen Gesamtfaserverlust entspricht, d. h. dort, wo die Summe oder der Durchschnitt der Verluste bei der Testwellenlänge und den erfassten Wellenlängen (oder die Summe oder der Durchschnitt der Verluste bei der Testwellenlänge und der kritischsten der erfassten Wellenlängen, wenn es mehr als eine erfasste Wellenlänge gibt) minimiert ist. Wenn alle Signale nah beieinander liegen (z. B. Brillouin-Streuung), liegt diese bevorzugte Wellenlänge bei etwa 1550 nm. Für die Raman-Streuung liegt die optimale Testwellenlänge bei etwa 1590 nm, wobei bei dieser Wellenlänge die Summe oder der Durchschnitt der Verluste bei den Sonden- und Anti-Stokes-Wellenlängen minimiert ist.
Wenn reichlich Quellenleistung verfügbar ist, kann die bevorzugte Testwellenlänge ein wenig geändert werden, wie oben erörtert worden ist, weil eine geänderte Testwellenlänge in einem größeren Ausmaß zu einer Vergrößerung der zulässigen Einleitleistung führen könnte, als der (lineare) Faserverlust durch die Änderung der Wellenlänge vergrößert wird. Mit anderen Worten, die Wellenlänge wird vorzugsweise so gewählt, um den besten Durchsatz bei einer definierten Entfernung in der Faser zu liefern, wenn die Wirkung des Faserverlusts auf die maximale Einleitleistung berücksichtigt wird. Infolge der Verfügbarkeit zweckmäßiger Quellen liegt eine besonders zweckmäßiger Wellenlänge bei etwa 1620 nm bis 1680 nm, die von Quellen erzeugt wird, die für das verlustarme Fenster von Siliciumdioxidfasern bei etwa 1550 nm geeignet sind.
Das bei der Vorbereitung von 17 verwendete Kriterium, d. h. die Begrenzung des Leistungspegels auf einen, der eine bestimmte durchschnittliche Zunahme des optischen Verlusts bei der Testwellenlänge über eine bestimmte Faserlänge verursacht, ist ein etwas primitives Mittel, um die beste Leistung zu bestimmen, die in die Faser einzuleiten ist. Vorausgesetzt, dass ausreichend Quellenleistung verfügbar ist, dann besteht eine genauere Art der Optimierung der Systemleistung darin, die in die Faser eingeleitete Leistung einzustellen, um die Testleistung zu maximieren, die zum entferntesten zu überwachenden Punkt transportiert wird. Es gibt ein deutliches Optimum, weil bei Leistungen, die niedriger als ein bestimmter Wert sind, mehr Leistung eingeleitet werden könnte und deshalb mehr Leistung zurückgeschickt werden könnte; wobei bei höheren Leistungen der Vorteil von mehr Anfangsleistung durch die höheren Verluste auf Grund nichtlinearer Effekte mehr als ausgeglichen wird. Die 19 und 20 zeigen die (berechnete) Variation der von einer gegebenen Entfernung längs einer Standard-Einmodenfaser (keine Dispersionsverschiebung, konstruiert für den Betrieb bei 1550 nm) zurückgeschickten Rayleigh-Rückstreuleistung als eine Funktion der (für eine Impulsbreite von 80 ns) eingeleiteten Leistung. Infolge der nichtlinearen Effekte ist dies keine monotone Funktion der eingeleiteten Leistung; für jede Entfernung gibt es eine optimale Leistung, die die von diesem Punkt zurückgeschickte Rückstreuung (Rayleigh oder Anti-Stokes-Raman) maximiert.
In dem Fall, in dem die zurückgestreuten Signale mit den Anti-Stokes- und Stokes-Wellenlängen beide verwendet werden und die Quellenleistung niedrig genug ist, um die stimulierte Streuung zu ignorieren, kann es schwieriger sein, die Sonden-Wellenlänge zu optimieren, weil (a) nun drei Wellenlängen beteiligt sind, (b) sich die Stärken der Anti-Stokes- und Stokes-Wellenlängen unterscheiden, wenn sie erzeugt werden, und (c) sich die Verluste unterscheiden. Im Allgemeinen würde die einfallende Wellenlänge so angeordnet werden, dass sie etwa in der Mitte des Übertragungsverlustfensters (z. B. 1550 nm) liegt. In diesem Fall würde die Leistung schlechter als im oben vorgeschlagenen Zugang sein, weil die Raman-Wellenlängen beide höhere Übertragungsverluste als die einfallende Wellenlänge erleiden würden. Diese Erörterung ist selbstverständlich in erster Linie für die Raman-Streuung relevant, weil die Wellenlängentrennung für Brillouin weit schmaler ist.
Es sollte angegeben werden, dass es Umstände gibt, unter denen es erwünscht sein könnte, die stimulierte Streuung zu unterdrücken, selbst wenn nicht bei einer Wellenlänge gearbeitet wird, die den Übertragungsverlust minimiert. Ein Beispiel könnte sein, wo der gewünschte Bereich (die Entfernungsabdeckung) des Sensors relativ kurz ist, aber die Leistung in anderer Hinsicht (für eine kurze Messzeit oder eine hohe räumliche Auflösung) optimiert sein muss; in diesem Fall würde es erwünscht sein, so viel Leistung wie möglich zu übertragen. Es kann andere Gründe geben, um nicht bei einer Wellenlänge zu arbeiten, die den Verlust minimiert. In kurzen Entfernungen wird z. B. der Verlust der Faser selbst weniger signifikant, oder es kann andere Überlegungen geben, wie z. B. die Intensität des Rückstreusignals, die zunimmt, wie die Wellenlänge verringert wird, oder der Detektorwirkungsgrad, der sich unter etwa 1100 nm, wo Siliciumdetektoren verwendet werden können, deutlich verbessert.
Ähnlich kann es Gelegenheiten geben, wo es infolge der Verwendung einer Testwellenlänge, die den Übertragungsverlust minimiert und folglich den Bereich vergrößert, über den die Erfassung ausgeführt werden kann, bevor die Effekte der stimulierten Streuung signifikant werden, nicht notwendig oder erwünscht ist, das System so zu konstruieren, um die stimulierte Streuung in der früher erörterten Weise zu unterdrücken.

Claims

Optisches Zeitbereichs-Reflektometrieverfahren zum Erfassen jeweiliger Werte eines physikalischen Parameters an unterschiedlichen Orten längs einer Lichtleitfaser, die durch einen interessierenden Bereich verlegt ist, wobei in dem Verfahren optische Strahlung mit einer ersten Wellenlänge (λ₀) in die Faser eingeleitet wird und zurück gestreute optische Strahlung in einem ersten und einem zweiten Spektralband, die auf die erste Wellenlänge (λ₀) bzw. auf eine zweite Wellenlänge (λ_–1), die gleich der Wellenlänge eines Anti-Stokes-Spektralbandes ist, das aus einer inelastischen Streuung von optischer Strahlung mit der ersten Wellenlänge (λ₀) in der Faser resultiert, zentriert sind, verwendet wird, um eine erste bzw. eine zweite Menge von Ausgangssignalen zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass nicht gleichzeitig mit der optischen Strahlung mit der ersten Wellenlänge (λ₀) optische Strahlung im Wesentlichen mit der zweiten Wellenlänge (λ_–1') in die Faser eingeleitet wird und zurück gestreute optische Strahlung in einem dritten Spektralband, das auf die zweite Wellenlänge (λ_–1) zentriert ist, verwendet wird, um eine dritte Menge von Ausgangssignalen zu erzeugen, und eine letzte Menge von Ausgangssignalen, die von den erfassten Werten abhängen, durch Normieren der ersten Menge von Ausgangssignalen auf den geometrischen Mittelwert der zweiten und der dritten Menge von Ausgangssignalen erzeugt wird.
Optische Zeitbereichs-Reflektometrievorrichtung zum Erfassen jeweiliger Werte eines physikalischen Parameters an verschiedenen Orten durch einen interessierenden Bereich, wobei die Vorrichtung eine Lichtleitfaser (2), die ausgelegt ist, um durch den interessierenden Bereich verlegt zu werden, Quellenmittel (1, 52), die wahlweise betreibbar sind, um optische Strahlung mit einer ersten Wellenlänge (λ₀) in die Faser (2) einzuleiten, Erfassungsmittel (6), um optische Strahlung zu empfangen, die längs der Faser (2) zurück gestreut wird, und Signalverarbeitungsmittel, um diese zurück gestreute optische Strahlung in einem ersten und einem zweiten Spektralband, die auf die erste Wellenlänge (λ₀) bzw. auf eine zweite Wellenlänge (λ_–1), die gleich der Wellenlänge eines Anti-Stokes-Spektralbandes ist, das aus einer inelastischen Streuung von optischer Strahlung mit der ersten Wellenlänge (λ₀) in der Faser (2) resultiert, zentriert sind, zu verwenden, um eine erste bzw. eine zweite Menge von Ausgangssignalen zu verwenden, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Quellenmittel (1, 52) außerdem wahlweise betreibbar sind, um optische Strahlung im Wesentlichen mit der zweiten Wellenlänge (λ_–1') in die Faser (2) nicht gleichzeitig mit der optischen Strahlung der ersten Wellenlänge (λ₀) einzuleiten, und die Signalverarbeitungsmittel betreibbar sind, um die resultierende zurück gestreute optische Strahlung in einem dritten Spektralband, das auf die zweite Wellenlänge (λ_–1) zentriert ist, zu verwenden, um eine dritte Menge von Ausgangssignalen zu erzeugen, und ferner betreibbar sind, um eine letzte Menge von Ausgangssignalen zu erzeugen, die von den erfassten Werten abhängen, indem die erste Menge von Ausgangssignalen auf das geometrische Mittel der zweiten und der dritten Menge von Ausgangssignalen normiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Quellenmittel (1, 52) eine einzige Laserquelle (1), die betreibbar ist, um Licht mit der zweiten Wellenlänge (λ_–1') zu erzeugen, und eine Wellenlängenverschiebungsfaser (22), die so angeschlossen ist, dass sie Licht mit der zweiten Wellenlänge (λ_–1') von der Laserquelle (1) empfängt, umfassen, wobei die Wellenlängenverschiebungsfaser (22) ausgelegt ist, um durch stimulierte Umsetzung von Licht mit der zweiten Wellenlänge (λ_–1') Licht mit der ersten Wellenlänge (λ₀) zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Wellenlängenverschiebungsfaser (22) einen hohen Raman-Verstärkungsfaktor besitzt.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Wellenlängenverschiebungsfaser (22) das Licht mit der ersten Wellenlänge (λ₀) zu einem Bandpassfilter (52) ausgibt, das betreibbar ist, um Licht mit der ersten Wellenlänge (λ₀) auszugeben.
Vorrichtung nach Anspruch 3, 4 oder 5, die ferner Mittel umfasst, die mit der Laserquelle (1) verbunden und betreibbar sind, um nur einen Teil des Lichts mit der zweiten Wellenlänge (λ_–1') von der Laserquelle (1) zu der Wellenlängenverschiebungsfaser (22) zu lenken, um es in die erste Wellenlänge (λ₀) umzusetzen, während der Rest des Lichts mit der zweiten Wellenlänge (λ_–1') von der Laserquelle (1) verfügbar ist, um verwendet zu werden, wenn die dritte Menge von Ausgangssignalen erhalten wird.
Vorrichtung nach Anspruch 3, 4 oder 5, wobei das gesamte Licht mit der zweiten Wellenlänge (λ_–1') von der Laserquelle (1) von der Wellenlängenverschiebungsfaser (22) empfangen wird und Mittel vorgesehen sind, um den Ausgang der Wellenlängenverschiebungsfaser (22) zu empfangen und um hiervon Licht mit der zweiten Wellenlänge (λ_–1') von dem wellenlängenverschobenen Licht mit der ersten Wellenlänge (λ₀) zu trennen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder gegebenenfalls Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei der physikalische Parameter die Temperatur ist.