DE19638390B4

DE19638390B4 - Eigenschaftsmeßvorrichtung für eine optische Faser

Info

Publication number: DE19638390B4
Application number: DE19638390A
Authority: DE
Inventors: Zhixien Li; Yasushi Sato; Shoji Adachi; Toshio Mito Kurashima; Kaoru Shimizu
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1995-09-26
Filing date: 1996-09-19
Publication date: 2006-10-26
Anticipated expiration: 2016-09-20
Also published as: JPH0989714A; DE19638390A1; US5686986A; GB2305795A; GB9619038D0; GB2305795B; JP3033677B2

Abstract

Vorrichtung zur Messung der Temperaturverteilung, Verzerrungsverteilung und Dämpfungsverteilung für eine optische Faser zum Messen der Eigenschaften einer optischen Faser mit:
einer kohärenten Lichtquelle (1) zum Emittieren kohärenten Lichts mit einer engen spektralen Linienbreite;
einer ersten Aufteileinrichtung (2) zum Aufteilen des kohärenten Lichts in einen ersten und einen zweiten Teil;
einer zweiten Aufteileinrichtung (3) zum Aufteilen dieses zweiten Teils des kohärenten Lichts in einen dritten Teil und einen vierten Teil;
wobei dieser vierte Teil an ein erstes Ende dieser optischen Faser gesendet wird und dieser dritte Teil zu einer Lichtempfangseinrichtung (102) gesendet wird;
einem optischen Frequenzwandler (100) zum wiederholten Ändern der optischen Frequenz des ersten Teils des kohärenten Lichts in Schritten einer bestimmten Frequenz unter einer bestimmten Periodizität;
einer Extraktionseinrichtung (18, 19, 20, 21) zum Extrahieren und Pulsen eines optischen Signals einer erwünschten Frequenz aus den optischen Signalen, die durch den optischen Frequenzwandler (100) ausgegeben...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Eigenschaftsmeßvorrichtungen für eine optische Faser, welche in der Lage sind, eine Verlustverteilung, eine Temperaturverteilung und eine Verzerrungsverteilung in der Längsrichtung optischer Fasern durch Erfassen und Analysieren von Brillouin-verstärktem Licht, Rayleigh-rückgestreutem Licht und natürlichem Brillouin-gestreuten Licht in optischen Fasern zu messen.
Üblicherweise ist ein Verfahren zum Messen der Eigenschaften, wie z.B. der Verlustverteilung, der Temperaturverteilung und der Verzerrungsverteilung in der Längsrichtung optischer Fasern durch Erfassen des rückgestreuten Lichts, wie z.B. des Rayleigh-rückgestreuten Lichts oder des Brillouin-gestreuten Lichts, in den optischen Fasern und Analysieren des erfaßten rückgestreuten Lichts bekannt.
Als ein Beispiel einer Vorrichtung zum Messen der Eigenschaften optischer Fasern, welche Brillouin-verstärktes Licht benutzt, gibt es den BOTDA (optischen Zeitdomänen-Brillouin-Analysator). Der Aufbau eines BOTDA wird mit Bezug auf 3 erklärt.
In dieser Zeichnung bezeichnet Bezugszeichen 200 eine erste Lichtquelle, die einen kontinuierlichen Strahl mit einer schmalen spektralen Linienbreite an die zu messende optische Faser 206 aussendet. Bezugszeichen 201 bezeichnet eine zweite Lichtquelle, die einen kontinuierlichen Strahl mit einer engen spektralen Linienbreite an den optischen Schalter 202 aussendet. Hierbei sind die optische Frequenz f₁ des durch die erste Lichtquelle 200 emittierten kontinuierlichen Strahls und die optische Frequenz f₂ des durch die zweite Lichtquelle 201 emittierten kontinuierlichen Strahls so eingestellt, daß f₁ – f₂ = f_B (f_B ist die Brillouin-Frequenzverschiebung, die für die gemessene optische Faser 206 eigentümlich ist). Bezugszeichen 202 bezeichnet einen optischen Schalter, der den durch die zweite Lichtquelle emittierten kontinuierlichen Strahl in Impulse zerlegt. Bezugszeichen 203 bezeichnet einen optischen Richtungskoppler, der die durch den optischen Schlater 202 emittierten optischen Impulse an die gemessene optische Faser 206 sendet und den von der ersten Lichtquelle 200 emittierten kontinuierlichen Strahl über die gemessene optische Faser 206 an eine Lichtempfangsschaltung 204 emittiert.
Die Lichtempfangsschaltung 204 wandelt die optischen Signale, die von dem optischen Richtungskoppler 203 zugeführt werden, in elektrische Signale um. Bezugszeichen 205 ist eine Signalverarbeitungsschaltung, die elektrische Signale von der Lichtempfangsschaltung 204 empfängt und die zeitlichen Wellenformen oder die Amplitude und die Phase verarbeitet, um die Eigenschaften der gemessenen optischen Faser 206 zu analysieren.
Beim oben erwähnten BOTDA wird der von der ersten Lichtquelle 200 emittierte kontinuierliche Strahl innerhalb der optischen Faser 206 durch die von der zweiten Lichtquelle 201 über den optischen Schalter 202 emittierten optischen Impulse Brillouin-verstärkt. Dann propagiert das Brillouin-verstärkte Licht durch den optischen Richtungskoppler 203 zur Lichtempfangsschaltung 204, und dann wird es in ein elektrisches Signal durch die Lichtempfangsschaltung 204 umgewandelt und der Signalverarbeitungsschaltung 205 zugeführt.
Die Signalverarbeitungsschaltung 205 analyisiert das zugeführte elektrische Signal nach zeitlichen Änderungen oder Amplituden- und Phasen-Änderungen im Signal, die von der Brillouin-Verstärkung herrühren, um die Verteilung der Eigenschaften entlang der Längsrichtung der gemessenen optischen Faser 206 zu bestimmen, wie z.B. den Einfluß von Feuchtigkeitsänderungen und Spannungsänderungen, welche an die optische Faser angelegt sind, sowie den optische Verlust in der optischen Faser 206.
Dieser Typ von BOTDA weist die folgenden Eigenschaften auf.

(1) Die Abschwächung des durch den optischen Richtungskoppler 203 tretenden und auf die Lichtempfangsschaltung 204 einfallenden optischen Signals ist klein.
(2) Die Intensität des an der Lichtempfangsschaltung 204 empfangenen optischen Signals kann durch Erhöhen der optischen Leistung der ersten Lichtquelle 200 erhöht werden, um dadurch die Meßgenauigkeit zu erhöhen.

BOTDA's sind detailliert in der japanischen Patentanmeldung mit der Erstveröffentlichungsnr. 2-6725 erklärt, die der EP 348 235 B1 entspricht. Aus der EP 348 235 B1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Verteilung verschiedener Eigenschaften einer optischen Faser in Längsrichtung bekannt. Mit einem "BOTDA" genannten System können der optische Verlust, die optische Dämpfung, der relative Brechungsindexunterschied zwischen Fasermitte und Ummantelung, auf die optische Faser einwirkende Belastungsunterschiede und der Einfluß von Temperaturänderungen auf eine optische Faser gemessen werden.

Das System verwendet eine erste Lichtquelle, um gepulstes Licht in ein erstes Ende einer zu messenden optischen Faser zu leiten. Zusätzlich ist in diesem System eine zweite kontinuierlich strahlende (CW) Lichtquelle vorgesehen, die Licht in das zweite Ende der zu messenden optischen Faser einkoppelt. Die Frequenzunterschiede zwischen den optischen Frequenzen der ersten und der zweiten Lichtquelle werden derart angepaßt, daß die der zu messenden Faser eigentümliche Brillouinfrequenzverschiebung gemessen werden kann. Die Verwendung einer zweiten Lichtquelle ist aufwendig und macht das System teuer.

Zusätzlich gibt es als ein Beispiel einer Vorrichtung zum Messen der Eigenschaften von optischen Fasern von einem Ende unter Benutzung natürlichen Brillouin-gestreuten Lichts das BOTDR (optisches Zeitdomänen-Brillouin-Reflexionsmeßgerät). Das BOTDR wird mit Bezug auf 4 erklärt.

In der Zeichnung bezeichnet Bezugszeichen 210 eine kohärente Lichtquelle, die einen kontinuierlichen Strahl mit einer engen spektralen Linienbreite an einen optischen Richtungskoppler 211 aussendet. Der optische Richtungskoppler 211 teilt den kontinuierlichen Strahl, der von der kohärenten Lichtquelle 210 emittiert wird, in einen Meßstrahl und einen Bezugsstrahl, sendet dann den Meßstrahl an einen optischen Schalter 212 und den Bezugsstrahl an einen optischen Richtungskoppler 217.

Der optische Schalter 212 pulst den von dem optischen Richtungskoppler 211 emittierten kontinuierlichen Strahl und sendet ihn zum optischen Richtungskopper 213. Der optische Richtungskoppler 213 bildet eine Schleifenschaltung zusammen mit einem optischen Frequenzwandler 214. In dieser Schleifenschaltung verschiebt der optische Frequenzwandler 214 die Frequenz der von dem optischen Schalter 212 emittierten optischen Impulse um eine bestimmte Frequenz, wonach eine EIN-/AUS-Steuerung mit einer bestimmten Zeitsteuerung durchgeführt wird; durch Wiederholen dieses Vorgangs in der oben erwähnten Schleifenschaltung wird die optische Frequenz in Schritten der bestimmten Frequenz frequenzmäßig gewobbelt, um einen kontinuierlichen Fehlstrahl mit einer sich kontinuierlich sich wiederholenden Frequenzwobbelung zu erzeugen. Dieser kontinuierliche Strahl wird von dem optischen Richtungskoppler 213 an das akustooptische Element 215 gesendet.

Das akustooptische Element 215 pulst den Meßstrahl, der von dem optischen Richtungskoppler 213 ausgesendet wird, und sendet ihn an den optischen Richtungskoppler 216. Der optische Richtungskoppler 216 sendet das optische Signal, das von dem akustooptischen Element 215 ausgesendet wird, an die gemessene optische Faser 221, und sendet das natürliche Brillouingestreute Licht innerhalb der optischen Faser 221 an den optischen Richtungskoppler 217.

Der optische Richtungskoppler 217 sendet einen durch den optischen Richtungskoppler 211 emittierten Bezugsstrahl und Brillouin-rückgestreutes Licht, das von dem optischen Richtungskoppler 216 ausgesendet wird, an einen O/E-Wandler 218. Der O/E-Wandler 218 empfängt in kohärenter Weise das natürliche Brillouin-gestreute Licht mittels des Bezugsstrahls, wandelt es in ein elektrisches Signal und gibt dies dann an den Verstärker 219 aus. Der Verstärker 219 verstärkt das zugeführte elektrische Signal und gibt es an die Signalverarbeitungsschaltung 220 aus.

Die Signalverarbeitungsschaltung 220 verarbeitet die zugeführten elektrischen Signale in einer Mittelungsaddition, um die Eigenschaften, wie z.B. Verlustverteilung, Temperaturverteilung und Verzerrungsverteilung, in der Längsrichtung der gemessenen optischen Faser 221 zu messen.

Diese Typ von BOTDR hat die folgenden Eigenschaften.

(1) Eine kohärente Erfassung mit geringem Rauschen ist durch Einstellen der Frequenzdifferenz zwischen dem natürlichen Brillouin-gestreuten Licht und dem Bezugsstrahl auf einen kleinen Wert möglich.
(2) Die Meßzeit ist schneller, da die Frequenz der Messung leicht gewobbelt werden kann.

BOTDR's sind in der japanischen Patentanmeldung mit der Erstveröffentlichungsnr. 5-240699 detailliert erklärt. Zusätzlich ist ein Beispiel einer Vorrichtung, die die Verlusteigenschaften von optischen Fasern unter Benutzung von Rayleigh-rückgestreutem Licht, das an einem Ende gemessen wird, das COTDR (kohärentes optisches Zeitdomänen-Reflexionsmeßgerät).

Allgemeine Informationen zur Brillouinspektroskopie und Brillouinstreuung findet man z.B. im Lexikon der Optik (H. Haferkorn, Herausgeber, Hanau: Dausien, 1988, S. 55).

In der Veröffentlichung "Coherent Self-Heterodyne Brillouin OTDR for Measurement of Brillouin Frequency Shift Distribution in Optical Fibers" (Lightwave Technology, vol. 12, No. 5, May 1994, pages 730–736) beschreiben Kaohu Shimitsu et al Frequenzumwandler und Techniken zur Frequenzverschiebung, wobei ein Erbium-dotierter Faserverstärker, ein akustooptischer Frequenzschieber und ein faseroptischer Ring verwendet wurden. Das Signallicht wird hierbei nur an ein einziges Ende der zu testenden Faser gekoppelt und die rückgestreute spontane Brillouinstreuung wird gemessen. Durch diese Anordnung sind die Analysemöglichkeiten der Messanordnung beschränkt.

In der der Zeitschrift "Optics Letters" (vol. 19, Nr. 19, 1. Oktober 1994, S. 1589–1591) beschreiben Jürgen Czarske und Harald Müller angeregte Brillouinstreuung in optischen Fasern, und sie berichten über die Messung von Temperatur und Verzerrung über große Entfernungen. Eine von einem Laser ausgestrahlte und in eine optische Faser eingekoppelte Lichtwelle wird teilweise in eine rückgestreute Stokeswelle umgewandelt, die dann durch die temperatur- und belastungsabhängige Brillouinfrequenzverschiebung nach unten frequenzverschoben wird. Mehrere externe Frequenzverschiebungstechniken, einschließlich der Benutzung eines Faserrings, werden beschrieben.

Die in der oben genannten Veröffentlichung offenbarten Systeme koppeln Signallicht nur in ein erstes Ende der zu messenden optischen Faser. Eine direkte Messung des Gesamtverlustes der optischen Faser ist nicht beschrieben und nicht möglich.

Die DE 44 08 905 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Bestimmung der Verzerrungsverteilung in einer optischen Faser. Das Licht einer Lichtquelle wird direkt in ein erstes Ende der zu messenden optischen Faser gekoppelt, und das am zweiten Ende austretende Licht wird in ein optisches System mit einem Frequenzumwandler geleitet. Nach dem Durchlauf des Frequenzumwandlers wird dessen Ausgangslicht in das zweite Ende der zu messenden optischen Faser geleitet und das nun rückgestreute Licht zu einem Lichtempfänger geleitet.

In 1 der DE 44 08 905 A1 ist ein solches System dargestellt. Das von der Lichtquelle 1 mit der Frequenz f₀ ausgestrahlte Licht wird in das entfernte Ende 10a der optischen Faser 10 geleitet, während gepulstes Licht der Frequenz f₀ + f_m in das nahegelegene Ende 10b der optischen Faser 10 gekoppelt wird. Das in das nahe Ende 10b der optischen Faser 10 gekoppelte gepulste Licht wird erst dann aus dem kontinuierlich gestrahlten Licht 11 generiert, nachdem es die optische Faser 10 durchlaufen hat. Durch diese Anordnung sind die Analysemöglichkeiten der Messanordnung beschränkt.

Aus der DE 43 14 189 C1 ist eine Vorrichtung zur Messung optischer Fasern bekannt. Zur Messung wird das von einem Pumplaser ausgestrahlte Licht nur in ein erstes Ende der zu messenden optischen Faser gekoppelt, und das spontan rückgestreute Brillouinlicht wird zusammen mit einem zweiten Teil des vom Pumplaser ausgestrahlten Lichts auf den Lichtdetektor geleitet. Durch diese Anordnung sind die Analysemöglichkeiten der Messanordnung beschränkt.

In der Zeitschrift "Optics Letters" (vol. 20, Nr. 5, 1. März 1995, S. 507–509) beschreiben Kaogu Shimitsu et al die Mes sung der Verzerrungs- und Temperaturverteilung in verteilten optischen Fasernetzwerken bei Verwendung von BOTDR. Aus dem Artikel ist eine Konfiguration eines Brillouin-OTDR-Systems bekannt, in der das gepulste Eingangssignallicht in einer einzigen Richtung in einen verlustkompensierten optischen Ring geleitet wird, welcher einen Erbium-dotierten Faserverstärker und einen akustooptischen Frequenzschieber aufweist. Durch diese Anordnung sind die Analysemöglichkeiten der Messanordnung beschränkt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Eigenschaftsmeßvorrichtung für eine optische Fasern, die effizient und ökonomisch einen BOTDA, das die Eigenschaften einer optischen Faser durch Senden von optischen Signalen an beide Enden der optischen Faser mißt, ein BOTDR, das die Eigenschaften einer optischen Faser durch Senden optischer Signale an ein Ende der optischen Faser mißt, und ein COTDR, das die Verlusteigenschaften einer optischen Faser durch Senden optischer Signale an ein Ende der optischen Faser mißt, vereinigt.

Um diese Aufgabe zu lösen, umfaßt die Eigenschaftsmeßvorrichtung für eine optische Faser nach der vorliegenden Erfindung eine kohärente Lichtquelle zum Emittieren kohärenten Lichts mit einer engen spektralen Linienbreite; eine Aufteilungseinrichtung zum Aufteilen des kohärenten Lichts und Senden eines Teils davon an ein erstes Ende der optischen Faser; einen optischen Frequenzwandler zum wiederholten Ändern der optischen Frequenz des restlichen Teils des kohärenten Lichts in Schritten einer bestimmten Frequenz unter einer bestimmten Periodizität; eine Extraktionseinrichtung zum Extrahieren eines optischen Signals einer erwünschten Frequenz unter optischen Signalen, die durch den optischen Frequenzwandler ausgegeben werden, und Senden des extrahierten optischen Signals an ein zweites Ende der optischen Faser; und eine Lichtempfangseinrichtung zum kohärenten Empfangen eines kohärenten Strahls, der durch die kohärente Lichtquelle emittiert wird, und eines optischen Signals, das von dem zweiten Ende der optischen Faser emittiert wird, und anschließendes Verarbeiten des empfangenen Signals zum Messen der Eigenschaften der optischen Faser.

Durch Benutzung dieses Typs von Struktur wird ein optisches Impulssignal einer erwünschten Frequenz, das durch die Ex traktionseinrichtung extrahiert wird, an die zweite Endfläche der optischen Faser gesendet, während die Lichtempfangseinrichtung in heterodyner Weise den von der zweiten Endfläche der optischen Faser ausgehenden Signalstrahl mittels mittels eines lokalen Strahls empfängt, wenn das kohärente Licht von der kohärenten Lichtquelle an die Lichtempfangsschaltung als der lokale Strahl gesendet wird, um somit eine Erfassung von natürlichem Brillouin-gestreuten Licht zu ermöglichen.

Zusätzlich empfängt, wenn ein Teil des kohärenten Lichts, der von der kohärenten Lichtquelle emittiert wird, weiter an die erste Endfläche der optischen Faser gesendet wird, die Lichtempfangsschaltung den aus der zweiten Endfläche der optischen Faser austretenden Signalstrahl mittels des oben erwähnten lokalen Strahls im heterodyner Art und Weise, um eine Erfassung eines Brillouin-verstärkten Teststrahls zu ermöglichen.

Demzufolge ist es durch geeignetes Auswählen der Frequenz des durch die Extraktionseinrichtung extrahierten optischen Impulssignals und Anwenden der notwendigen Prozeduren auf das erfaßte natürliche Brillouin-gestreute Licht, Brillouin-verstärkte Testlicht oder Rayleigh-rückgestreute Licht möglich, dieselben Messungen wie mit einem BOTDR, einem BOTDA oder einem COTDR unter Benutzung einer einzigen Vorrichtung durchzuführen.

In den Figuren zeigen:
1 ein Blockdiagramm zum Zeigen der Struktur einer Eigenschaftmeßvorrichtun für eine optische Faser gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2A–2I Wellenformdiagramme zum Zeigen optischer Signalwellenformen an jedem Abschnitt in der oben erwähnten Eigenschaftsmeßvorrichtung für eine optische Faser;
3 ein Blockdiagramm zum Zeigen der Struktur eines herkömmlichen BOTDA; und
4 ein Blockdiagramm zum Zeigen der Struktur eines herkömmlichen BOTDR.
Im folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen erklärt.
1 ist ein Blockdiagramm zum Zeigen der Struktur einer Eigenschaftsmeßvorrichtung für eine optische Faser nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In dieser Zeichnung bezeichnet Bezugszeichen 1 eine kohärente Lichtquelle zum Emittieren eines kohärenten Strahls mit einer engen spektralen Linienbreite; beispielsweise kann ein 1,55μm-Band-MQW/DFB(Vielfach-Quantenwall/verteilte Rückkopplung)-Halbleiterlaser mit ATC (automatischer Temperatursteuerung) verwendet werden. Die Bezugszeichen 2, 3, 9, 10, 13, 17, 22 und 23 bezeichnen optische Richtungskoppler.
Hier sind die optischen Richtungskoppler 2, 3, 13 und 17 optische 1 × 2-Richtungskoppler jeweils mit einem einzelnen Eingangsanschluß und zwei Ausgangsanschlüssen, so daß die in den Eingangsanschluß eintretenden optischen Signale geteilt werden und von den zwei Ausgangsanschlüssen emittiert werden. Zusätzlich sind die optischen Richtungskoppler 9 und 10 optische 2 × 1-Richtungskoppler jeweils mit zwei Eingangsanschlüssen und einem einzelnen Ausgangsanschluß, so daß opti sche Signale, die in die jeweiligen Eingangsanschlüsse laufen, kombiniert werden und von dem Ausgangsanschluß emittiert werden. Zusätzlich hat der optische Richtungskoppler 22 drei Anschlüsse; die optischen Signale, die in den ersten Anschluß laufen, werden von dem zweiten Anschluß emittiert, während die optischen Signale, die in den zweiten Anschluß laufen, von dem dritten Anschluß emittiert werden. Weiterhin hat der optische Richtungskoppler 23 zwei Eingangsanschlüsse und zwei Ausgangsanschlüsse; die optischen Signale, die in die zwei Eingangsanschlüsse laufen, werden von den jeweils entsprechenden Ausgangsanschlüssen emittiert.
Bezugszeichen 8 und 21 bezeichnen akustooptische Schalter, welche das einfallende Licht gemäß Zeitsteuerungssignalen von der Zeitsteuerungs-Erzeugungsschaltung 101 EIN-/AUS-schalten. Bezugszeichen 11 und 20 bezeichnen optische Verstärker, welche das einfallende Licht verstärken. Bezugszeichen 12 bezeichnet einen Bandpaßfilter mit einer optischen Durchtrittsbandbreite von 5 nm. Bezugszeichen 14 ist ein optischer Frequenzschieber, der die Frequenz von einfallenden optischen Signalen um die Frequenz eines Sinuswellensignals (250–500 mV), das von dem RF-Oszillator 15 zugeführt wird, verschiebt. Zusätzlich ist die Zeitsteuerung für die Verschiebung der Frequenz von dem Zeitsteuerungssignal, das von der Zeitsteuerungs-Erzeugungsschaltung 101 zugeführt wird, abhängig. Bei der vorliegenden Ausführungsform hat das Sinuswellensignal, das von dem RF-Oszillator 15 ausgegeben wird, eine Frequenz von 120 MHz bis 122 MHz. Deshalb verschiebt der Frequenzschieber 14 die Frequenz um 120 MHz bis 122 MHz.
Bezugszeichen 16 ist eine Verzögerungsfaser, die die einfallenden optischen Signale um eine bestimmte Zeitspanne verzögert. Bezugszeichen 18 bezeichnet einen elektrooptischen Schalter, der ein einfallendes optisches Signal gemäß einem Zeitsteuerungssignal, das von der Zeitsteuerungs-Erzeugungsschaltung 101 zugeführt wird, EIN-/AUS-schaltet. Bezugszeichen 19 bezeichnet einen optischen Frequenzpolarisationsrotator, der ein einfallendes optisches Impulssignal in optische Impulse mit abwechselnd orthogonalen Polarisationsebenen umwandelt. Bezugszeichen 24 bezeichnet einen photoelektrischen Wandler, der zugeführte optische Signale in elektrische Signale umwandelt.
Bezugszeichen 25 bezeichnet eine Dummylichtquelle, die Licht mit einer Wellenlänge von 1,535 μm gemäß einem Ansteuersignal von der Ansteuerschaltung 27 emittiert. Bezugszeichen 26 ist eine Erfassungsschaltung, die ein optisches Signal erfaßt, wobei die Phase des einfallenden optischen Signals invertiert ist. Bezugszeichen 27 bezeichnet eine Ansteuerschaltung, welche ein Ansteuersignal aufgrund eines durch die Erfassungsschaltung 26 erfaßten optischen Signals ausgibt, um die Dummylichtquelle 25 anzusteuern. Bezugszeichen 28 bezeichnet einen Verstärker, welcher ein eingegebenes elektrisches Signal verstärkt.
Bezugszeichen 29 bezeichnet ein Signalprozessor, der einen bstimmten Prozess auf ein zugeführtes elektrisches Signal anwendet, um die Eigenschaften einer gemessenen optischen Faser zu messen. Bezugszeichen 30 und 31 sind Verbinder, für die jeweils mit einem Ende der gemessenen optischen Faser verbunden sind. Bezugszeichen 101 bezeichnet eine Zeitsteuerungs-Erzeugungsschaltung, die die erforderlichen Zeitsteuerungssignale erzeugt und an den oben erwähnten Frequenzschieber 14, die akustooptischen Schalter 8 und 21 und den akustooptischen Schalter 18 ausgibt.
Als nächstes wird der Betrieb der oben beschriebenen Eigenschaftsmeßvorrichtung für eine optische Faser mit Bezug auf 1 und 2 erklärt.
Zunächst wird kohärentes Licht, das von der kohärenten Lichtquelle 1 emittiert wird, durch den optischen Richtungskoppler 2 aufgeteilt, um an den optischen Richtungskoppler 3 und den optischen Frequenzwandler 100 gesendet zu werden.
Das kohärente Licht von der kohärenten Lichtquelle 1, das an den optischen Richtungskoppler 3 gesendet wird, wird an den optischen Richtungskoppler 23 der Lichtempfangsschaltung 102 gesendet, und ein Teil wird abgespalten und an den Verbinder 31 zur Benutzung als ein Teststrahl gesendet, wenn die Meßvorrichtung für die optische Faser als ein BOTDA verwendet wird. Dieser Teststrahl erleidet einen Brillouin-Verstärkungseffekt, wenn er durch die gemessene optische Faser hindurchtritt, tritt dann durch den Verbinder 30 durch, um so in den zweiten Anschluß des optischen Richtungskopplers 22 zu laufen.
Andererseits fällt das kohärente Licht, das durch den optischen Richtungskoppler 2 geteilt wird und an den Frequenzwandler 100 gesendet wird, zunächst auf den akustooptischen Schalter 8 innerhalb des optischen Frequenzwandlers 100 und wird, wie in 2A gezeigt, in Impulse moduliert. In diesem Fall sind die Impulsbreite und die Impulsperiode des durch den akustooptischen Schalter 8 gepulsten optischen Impulssignals jeweils durch die Verzögerungszeit aufgrund der Verzögerungsfaser 16 und den Entfernungsbereich der Verzögerungsfaser 16 bestimmt. Normalerweise sollte die Impulsbreite 4–10 μs betragen, und die Impulsperiode sollte beispiels weise für einen Entfernungsbereich von 40 km, 800 μs betragen.
Nachdem das durch den akustooptischen Schalter 8 gepulste optische Impulssignal mit dem von der Dummylichtquelle 25 emittierten optischen Signal am optischen Richtungskoppler 9 kombiniert wird, tritt es durch den optischen Richtungskoppler 10 in die Schleifenschaltung, die durch den optischen Verstärker 11, den Bandpaßfilter 12, den optischen Richtungskoppler 13, den Frequenzschieber 14, die Verzögerungsfaser 16 und den optischen Richtungskoppler 10 gebildet ist. Das optische Impulssignal, das in diese Schleifenschaltung läuft, wird zunächst durch den optischen Verstärker 11 verstärkt, tritt dann durch den Bandpaßfilter 12, wonach es auf den optischen Richtungskoppler 13 fällt. Dabei läuft ein Teil des auf den optischen Richtungskoppler 13 treffenden optischen Impulssignals aus der Schleifenschaltung, während der Rest des optischen Impulssignals an den Frequenzschieber 14 gesendet wird. Dann wird ein Teil des optischen Impulssignals, der von dem optischen Richtungskoppler 13 aus der Schleifenschaltung läuft, durch den optischen Richtungskoppler 17 abgeteilt und an die Erfassungssschaltung 26 gesendet.
Andererseits wird das optische Impulssignal, das an den Frequenzschieber 14 gesendet wird, durch die Frequenz eines Sinuswellensignals, das von dem RF-Oszillator 5 gemäß einem Zeitsteuerungssignal, das von der Zeitsteuerungs-Erzeugungsschaltung 101 zugeführt wird, frequenzverschoben. Zusätzlich wird das durch den Frequenzschieber 14 verschobene optische Impulssignal an den optischen Richtungskoppler 10 gesendet, nachdem es um die Impulsbreite des durch den akustooptischen Schalter 8 emittierten optischen Impulssignals mittels der Verzögerungsfaser 16 verzögert wird.
Dieses verzögerte optische Impulssignal tritt durch den optischen Verstärker 11 und den Bandpaßfilter 12, wonach ein Teil von den optischen Richtungskoppler 13 emittiert wird. Dabei ist die optische Frequenz des emittierten optischen Impulssignals um die Frequenz der Verschiebung höher als die optische Frequenz des zuvor emittierten optischen Impulssignals. Danach wird derselbe Betrieb wiederholt, bis das nächste optische Signal von dem akustooptischen Schalter 8 eingegeben wird. Daraus resultierend wird eine optische Impulskette 10a, wie in 2B gezeigt, von dem optischen Frequenzwandler 100 emittiert. Zusätzlich wird die Frequenz innerhalb jedes optischen Impulses in dieser optischen Impulskette 100a sequentiell in Schritten der Frequenz der Verschiebung durch den Frequenzschieber 14 größer, wie in 2C gezeigt.
Zusätzlich veranlaßt, wenn optische Impulse nicht für die optische Impulskette 100a emittiert werden, ein Erfassungssignal von der Erfassungsschaltung 26, das die invertierte Phase der optischen Impulskette 100a erfaßt, die Ansteuerschaltung 27, die Dummylichtquelle 25 zu aktivieren, so daß Licht mit einer Wellenlänge von 1,535 μm durch die optischen Richtungskoppler 9 und 10 ausgesendet wird, um auf den optischen Verstärker 11 zu treffen. Deshalb fällt das optische Signal stets auf den optischen Verstärker 11, um so plötzliche Spitzen der optischen Intensität in Impulssignal-Vorderabschnitt zu verhindern, welche wahrscheinlichermaßen auftreten, wenn das optische Impulssignal verstärkt wird. Zusätzlich wird das Licht von der Dummylichtquelle 25, das von dem optischen Verstärker 11 emittiert wird, durch den Bandpaßfilter 12 eliminiert, um nicht zum optischen Frequenzwandler 100 gesendet zu werden.
Der elektrooptische Schalter 18 extrahiert einen optischen Impuls mit einer erwünschten optischen Frequenz aus der opti schen Impulskette 100a, die von dem optischen Frequenzwandler 100 emittiert wird, und sendet den optischen Impuls an den optischen Frequenzpolarisationsrotator 19 gemäß einem Zeitsteuerungssignal, das von der Zeitsteuerungs-Erzeugungsschaltung 101 zugeführt wird. Der optische Frequenzpolarisationsrotator 19 ist so gesteuert, daß die Polarisationsebene mit dem Einfall jedes extrahierten optischen Impulses abwechselnd orthogonal gemacht wird. Daraus resultierend können polarisationsabhängige Fluktuationen des optischen Impulses, der durch den elektrooptischen Schalter 18 extrahiert wird, und eine Polarisationsabhängigkeit des Brillouin-gestreuten Lichts eliminiert werden.
Der optische Impuls 100b (siehe 2E), der durch den optischen Frequenzpolarisationsrotator 19 emittiert wird, wird durch den optischen Verstärker 20 verstärkt. Dabei wird der optische Impuls 100c, der von dem optischen Verstärker 20 emittiert wird, von dem optischen Verstärker 20 zusammen mit einer spontanen Lichtemission, wie in 2F gezeigt, ausgesendet. Um dies zu eliminieren, führt die Zeitsteuerungs-Erzeugungsschlatung 101 ein Zeitsteuerungssignal, wie in 2G gezeigt, an den akustooptischen Schalter 21, um den akustooptischen Schalter 21 auf AUS zu steuern, wenn der optische Impuls eine Frequenz aufweist, die von der erwünschten Frequenz verschieden ist. Der optische Impuls 100e (siehe 2H), der auf diese Art und Weise erhalten wird, läuft durch den ersten Anschluß in den optischen Richtungskoppler 22 und geht durch den zweiten Anschluß heraus, um an den Verbinder 30 gesendet zu werden.
Dann tritt das natürliche Brillouin-gestreute Licht, das erzeugt wird, wenn der optische Impuls 100e an den Verbinder 30 gesendet wird, durch die gemessene optische Faser und tritt durch den zweiten Anschuß in den optischen Richtungskoppler 22 und geht aus dem dritten Anschluß heraus. Zusätzlich läuft ein Teststrahl, welcher eingegeben von dem Verbinder 31 einen Brillouin-Verstärkungseffekt beim Durchlaufen der gemessenen optischen Faser erlitten hat, in ähnlicher Weise durch den zweiten Anschluß und geht durch den dritten Anschluß heraus.
Diese optischen Signale, die von dem dritten Anschluß emittiert werden, werden auf den optischen Richtungskoppler 23 der Lichtempfangsschaltung 102 als Signalstrahlen einfallen gelassen.
Der optische Richtungskoppler 23 sendet jeweils einen lokalen Strahl, der von dem optischen Richtungskoppler 3 emittiert wird, und den von dem dritten Anschluß des optischen Richtungskopplers 22 emittierten Signalstrahl an einen photoelektrischen Wandler 24. Zusätzlich empfängt der photoelektrische Wandler 24 in heterodyner Weise den jeweils einfallenden lokalen Strahl und Signalsstrahl, um sie in ein elektrisches Signal umzuwandeln, das an den elektrischen Verstärker 28 ausgegeben wird.
Dabei ist die optische Frequenz des lokalen Strahls gleich der optischen Frequenz des durch die kohärente Lichtquelle emittierten kohärenten Lichts. Dann wird, nachdem der Signalstrahl an der photoelektrischen Wandler mittels des lokalen Strahls in heterodyner Weise empfangen ist und in ein elektronisches Signal umgewandelt ist, eine elektrische homodyne Erfassung am elektrischen Verstärker 28 durchgeführt. Daraus resultierend können das Brillouin-rückgestreute Licht in der gemessenen optischen Faser oder das Brillouin-verstärkte Licht in der gemessenen optischen Faser erfaßt werden.
Wenn andererseits ein optischer Impuls mit einer Frequenz von 120 Mhz verschieden von der Frequenz des lokalen Strahls von der optischen Impulskette 100a durch den elektrooptischen Schalter 18 extrahiert wird und der optische Impuls 100f (siehe 2I), der durch den optischen Frequenzpolarisationsrotator 19, den optischen Verstärker 20 und den akustooptischen Schalter 21 durchgetreten ist, auf den ersten Anschluß des optischen Richtungskopplers 22 einfällt, fällt Rayleigh-rückgestreutes Licht, das erzeugt wird, wenn der optische Impuls 100f, der von dem zweiten Anschluß des optischen Richtungskopplers 22 an den Verbinder 30 gesendet wird, durch die gemessene optische Faser tritt, auf den zweiten Anschluß des optischen Richtungskopplers 22 und wird von dem dritten Anschluß als Signalstrahl emittiert. Dann wird der oben erwähnte Signalstrahl an dem photoelektrischen Wandler 24 mittels eines lokalen Strahls in heterodyner Weise empfangen, um in ein elektrisches Signal umgewandelt zu werden, wonach eine elektrische heterodyne Erfassung am elektrischen Verstärker 28 durchgeführt wird. Daraus resultierend kann Rayleigh-rückgestreutes Licht erfaßt werden. Dann führt der Signalprozessor 29 eine Verarbeitung des von dem elektrischen Verstärker 28 ausgegebenen elektrischen Signals durch. Demzufolge ist es möglich, wenn ein optischer Impuls 100e von dem zweiten Anschluß des optischen Richtungskopplers 22 an den Verbinder 30 gesendet wird, dieselben Messungen wie die durch ein BOTDR durchgeführten Eigenschaftsmessungen einer optischen Faser durchzuführen. Zusätzlich ist es möglich, wenn ein Teststrahl von dem Verbinder 31 auf die gemessene optische Faser einfallen gelassen wird, dieselben Messungen wie die durch einen BOTDA durchgeführten Eigenschaftsmessungen einer optischen Faser durchzuführen.
Weiterhin ist es möglich, wenn ein optischer Impuls 100f von dem zweiten Anschluß des optischen Richtungskopplers 22 an dem Verbinder 30 gesendet wird, dieselben Messungen wie die durch ein COTDR durchgeführten Messungen einer optischen Faser durchzuführen.

Claims

Vorrichtung zur Messung der Temperaturverteilung, Verzerrungsverteilung und Dämpfungsverteilung für eine optische Faser zum Messen der Eigenschaften einer optischen Faser mit: einer kohärenten Lichtquelle (1) zum Emittieren kohärenten Lichts mit einer engen spektralen Linienbreite; einer ersten Aufteileinrichtung (2) zum Aufteilen des kohärenten Lichts in einen ersten und einen zweiten Teil; einer zweiten Aufteileinrichtung (3) zum Aufteilen dieses zweiten Teils des kohärenten Lichts in einen dritten Teil und einen vierten Teil; wobei dieser vierte Teil an ein erstes Ende dieser optischen Faser gesendet wird und dieser dritte Teil zu einer Lichtempfangseinrichtung (102) gesendet wird; einem optischen Frequenzwandler (100) zum wiederholten Ändern der optischen Frequenz des ersten Teils des kohärenten Lichts in Schritten einer bestimmten Frequenz unter einer bestimmten Periodizität; einer Extraktionseinrichtung (18, 19, 20, 21) zum Extrahieren und Pulsen eines optischen Signals einer erwünschten Frequenz aus den optischen Signalen, die durch den optischen Frequenzwandler (100) ausgegeben werden, und Senden des extrahierten gepulsten optischen Signals an ein zweites Ende der optischen Faser; und wobei diese Lichtempfangseinrichtung (102) einen kohärenten Strahl, der durch die kohärente Lichtquelle (1) emittiert wird, und ein optisches Signal, das durch das zweite Ende der optischen Faser emittiert wird, kohärent empfängt und das empfangene Signal zum Messen der Temperaturverteilung, Verzerrungsverteilung und Dämpfungsverteilung der optischen Faser verarbeitet.
Vorrichtung zur Messung der Temperaturverteilung, Verzerrungsverteilung und Dämpfungsverteilung für eine optische Faser zum Messen der Eigenschaften einer optischen Faser mit: einer kohärenten Lichtquelle (1) zum Emittieren kohärenten Lichts mit einer engen spektralen Linienbreite; einem ersten optischen Richtungskoppler (2) zum Senden des kohärenten Lichts auf eine Hauptroute dieses ersten optischen Richtungskopplers unter Abteilen eines Teils, um diesen auf eine Hilfsroute dieses ersten optischen Richtungskopplers zu senden; einem zweiten optischen Richtungskoppler (3) zum Senden des aus der Hilfsroute des ersten optischen Richtungskopplers (2) austretenden Lichts auf eine Hauptroute (1b) dieses zweiten optischen Richtungskopplers (3) unter Abteilen eines Teils, um diesen von einer Hilfsroute dieses zweiten optischen Richtungskopplers (3) auf eine erste Endfläche einer optischen Faser zu senden; einem optischen Frequenzwandler (100) zum wiederholten Ändern der optischen Frequenz des kohärenten Lichts, das aus der Hauptroute des ersten optischen Richtungskopplers (2) tritt, in Schritten einer bestimmten Frequenz unter einer bestimmten Periodizität; einer Impulseinrichtung (18, 19, 20, 21) zum Pulsen eines optischen Signals (100d) mit einer erwünschten Wellenlänge aus optischen Signalen (100a), die durch den optischen Frequenzwandler ausgegeben werden, und Ausgeben des gepulsten optischen Signals (100d); einem dritten optischen Richtungskoppler (22) zum Senden des gepulsten optischen Signals (100e), das durch die Impulseinrichtung (18, 19, 20, 21) ausgegeben wird, von einer Hauptroute dieses dritten optischen Richtungskopplers (22) auf eine zweite Endfläche der optischen Faser unter Aussenden eines von der zweiten Endfläche ausgehenden Signallichts oder rückgestreuten Signallichts an eine Hilfsroute dieses dritten optischen Richtungskopplers (22); und einer Lichtempfangsschaltung (102) zum kohärenten Empfangen von Signallicht, das aus der Hilfsroute des dritten optischen Richtungskopplers tritt, und von kohärentem Licht, das aus der Hauptroute des zweiten optischen Richtungskopplers (3) tritt, und anschließendem Verarbeiten der empfangenen Signale zum Messen der Temperaturverteilung, Verzerrungsverteilung und Dämpfungsverteilung der optischen Faser.
Vorrichtung zur Messung der Temperaturverteilung, Verzerrungsverteilung und Dämpfungsverteilung für eine optische Faser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Frequenzwandler (100) umfaßt: einen akustooptischen Schalter (8) zum Pulsen des kohärenten Lichts, das aus der Hauptroute des ersten optischen Richtungskopplers tritt, mit einer bestimmten Periodizität; und eine Schleifenschaltung (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16), worin das gepulste optische Signal (8a), das von dem akustooptischen Schalter (8) ausgegeben wird, verstärkt wird, wonach ein Teil abgeteilt wird, um ihn an die Impulseinrichtung (18) zu senden, während der restliche Teil um eine bestimmte Frequenz frequenzverschoben wird und um eine bestimmte Zeitspanne verzögert wird, wonach das gepulste optische Signal wiederholt verstärkt, aufgeteilt, frequenzverschoben und verzögert wird.
Vorrichtung zur Messung der Temperaturverteilung, Verzerrungsverteilung und Dämpfungsverteilung für eine optische Faser nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch: eine Lichtquelle (25) zum Emittieren eines optischen Signals mit einer Wellenlänge, die von der Wellenlänge des kohärenten Lichts, das durch die kohärente Lichtquelle (1) ausgegeben wird, verschieden ist; eine Erfassungseinrichtung (26) zum Erfassen der invertierten Phase eines optischen Signals, das aus der Schleifenschaltung tritt; eine Ansteuerschaltung (27) zum Ansteuern der Lichtquelle basierend auf der durch die Erfassungseinrichtung (26) erfaßten Phase; und eine Eingabeeinrichtung (9, 10) zum Eingeben eines optischen Signals, das durch die Lichtquelle (25) emittiert wird, in die Schleifenschaltung.
Vorrichtung zur Messung der Temperaturverteilung, Verzerrungsverteilung und Dämpfungsverteilung für eine optische Faser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleifenschaltung umfaßt: einen optischen Verstärker (11) zum Verstärken des gepulsten optischen Signals (8a), das durch den akustooptischen Schalter (8) ausgegeben wird; einen Bandpaßfilter (12) zum Durchtretenlassen von nur einer bestimmten Frequenzbandbreite aus gepulsten optischen Signalen, die durch den Verstärker (11) ausgegeben werden; eine Abteileinrichtung (13) zum Abteilen eines Teils eines gepulsten optischen Signals, das durch den Bandpaßfilter (12) ausgegeben wird, um ihn an die Impulseinrichtung (18) zu senden; einen optischen Frequenzschieber (14) zum Verschieben der Frequenz des übrigen Teils des gepulsten optischen Signals, das durch die Teilereinrichtung (13) ausgegeben wird, um eine bestimmte Frequenz; und eine Verzögerungseinrichtung (16) zum Verzögern eines gepulsten optischen Signals, das durch den optischen Frequenzschieber (14) ausgegeben wird, um die Impulsbreite des optischen Signals und Senden des verzögerten gepulsten optischen Signals an die Eingabeeinrichtung (10).
Vorrichtung zur Messung der Temperaturverteilung, Verzerrungsverteilung und Dämpfungsverteilung für eine optischen Faser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulseinrichtung umfaßt: einen elektrooptischen Schalter (18) zum Pulsen des optischen Signals, das durch den optischen Frequenzwandler (100) ausgegeben wird; eine Polarisations-Steuervorrichtung (19), welche das gepulste optische Signal, das durch den elektrooptischen Schalter (18) ausgegeben wird, in optische Impulse (100b) mit abwechselnd orthogonalen Polarisationsebenen zerlegt; einen optischen Verstärker (20) zum Verstärken eines gepulsten optischen Signals (100b), das durch die Polarisations-Steuervorrichtung (19) ausgegeben wird; und einen akustooptischen Schalter (21) zum Eliminieren spontan emittierten Lichts, das durch den optischen Verstärker (20) ausgegeben wird, und Durchlassen von nur den gepulsten optischen Signalen.