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DE4314189C1 - Vorrichtung zur Untersuchung von Lichtleitfasern aus Glas mittels Heterodyn-Brillouin-Spektroskopie - Google Patents

Vorrichtung zur Untersuchung von Lichtleitfasern aus Glas mittels Heterodyn-Brillouin-Spektroskopie

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DE4314189C1
DE4314189C1 DE4314189A DE4314189A DE4314189C1 DE 4314189 C1 DE4314189 C1 DE 4314189C1 DE 4314189 A DE4314189 A DE 4314189A DE 4314189 A DE4314189 A DE 4314189A DE 4314189 C1 DE4314189 C1 DE 4314189C1
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DE
Germany
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light
glass
ring resonator
pump laser
brillouin
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DE4314189A
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English (en)
Inventor
Michael Dipl Phys Dr Raab
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RAAB, MICHAEL, DR., 88682 SALEM, DE
Original Assignee
Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01M11/30—Testing of optical devices, constituted by fibre optics or optical waveguides
    • G01M11/31—Testing of optical devices, constituted by fibre optics or optical waveguides with a light emitter and a light receiver being disposed at the same side of a fibre or waveguide end-face, e.g. reflectometers
    • G01M11/319—Reflectometers using stimulated back-scatter, e.g. Raman or fibre amplifiers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
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    • G01J3/4412—Scattering spectrometry

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Untersuchung von Lichtleitfasern aus Glas mittels Heterodyn-Brillouin-Spektroskopie, bei welcher von einem Pumplaser ein Lichtbündel auf ein Ende der zu untersuchenden Lichtleitfaser aus Glas geleitet wird, derart daß in der Lichtleitfaser aus Glas spontane Brillouin-Rückstreuung entsteht, das durch die spontane Brillouin-Rückstreuung rückgestreute Lichtbündel einem von dem Laser abgeleiteten Lichtbündel überlagert wird und beide auf einen Detektor geleitet werden und das Ausgangssignal des Detektors auf einen Spektral-Analysator aufgeschaltet ist.
Eine solche Vorrichtung ist aus "Electronics Letters", Bd. 22, No. 19, 11.9.86, S. 1011-1013 bekannt.
Insbeondere betrifft die Erfindung die nichtinvasive Untersuchung von verlegten Lichtleitfasern aus Glas, um den Typ einer verlegten Lichtleitfaser aus Glas in einem Glas-Lichtleitfasernetz zu identifizieren. Lichtleitfasern aus Glas können sich durch Art und Höhe der Dotierung oder durch geometrische Parameter unterscheiden. Es stellt sich häufig die Aufgabe festzustellen, welcher Typ von Lichtleitfaser aus Glas an einer bestimmten Stelle eines Glas-Lichtleitfasernetzes verlegt ist.
Bei Beaufschlagung der Lichtleitfaser aus Glas mit einem Pump- Lichtbündel von einem Pumplaser tritt eine "spontane Brillouin-Streuung" auf. Durch das Pump-Lichtbündel werden in der Lichtleitfaser aus Glas akustische Wellen erzeugt. An diesen akustischen Wellen wird Licht in die Einfallsrichtung des Pump-Lichtbündels rückgestreut. Das ist die "Brillouin- Streuung". Die Frequenz des rückgestreuten Lichtbündels ist von der Frequenz des vorlaufenden Pump-Lichtbündels verschieden. Das rückgesteuerte Lichtbündel hat dabei ein Spektrum mit einem oder mehreren Peaks, welches für den Typ der Lichtleitfaser aus Glas charakteristisch ist. Man bezeichnet dieses Spektrum als das "Brillouin-Verstärkungsprofil". Das Spektrum gestattet wie ein "Fingerabdruck" eine Identifizierung der Lichtleitfaser aus Glas.
Zur Bestimmung des Spektrums wird dem durch Brillouin-Streuung rückgestreuten Lichtbündel ein Lichtbündel mit einer Referenzfrequenz überlagert. Die überlagerten Lichtbündel fallen auf einen photoelektrischen Detektor. Der Detektor liefert dann ein den Frequenzdifferenzen entsprechendes Signal. Das entspricht dem "Heterodyn"-Prinzip. Das Spektrum der Frequenzdifferenzen wird analysiert. Man spricht daher von Heterodyn-Brillouin-Spektroskopie.
In einem Aufsatz von Shibata, Okamoto und Azuma "Longitudinal acoustic modes and Brillouin-gain spectra for GeO₂-doped-core single-mode fibers" in J. Opt. Soc. Am. B Bd. 6, S. 1167-1174 (1989) ist eine Vorrichtung zur Bestimmung des Brillouin- Verstärkungsprofils von Lichtleitfasern aus Glas beschrieben. Von einem Pumplaser wird ein Pump-Lichtbündel über einen optischen Isolator und einen Zerhacker auf ein Ende der zu untersuchenden Lichtleitfaser aus Glas geleitet. Auf das andere Ende wird über einen optischen Isolator ein Lichtbündel eines zweiten Lasers geringerer Leistung geleitet, dessen Frequenz durch einen Sägezahngenerator nach einer Sägezahnkurve veränderbar ist. Das durch Brillouin-Streuung aus der zu untersuchenden Lichtleitfaser aus Glas rückgesteuerte Lichtbündel wird dem Lichtbündel des zweiten Lasers überlagert und mittels eines Kopplers auf einen Detektor geleitet. Das Signal des Detektors wird in einem Lock-in-Verstärker mit der Zerhackerfrequenz demoduliert und mittels eines X-Y-Schreibers als Funktion der Frequenz des zweiten Lasers aufgezeichnet.
Dieses Verfahren erfordert zwei Laser guter Kohärenz. Es müssen beide Enden der zu vermessenden Lichtleitfaserstrecke zugänglich sein. Es bietet Schwierigkeiten, die mittels des X- Y-Schreibers erhaltene Aufzeichnung in Frequenzeinheiten relativ zu der Frequenz des Pumplasers zu skalieren. Dazu sind zusätzliche Messungen erforderlich.
Eine weitere Anordnung ist beschrieben in einem Aufsatz von Tsun, Wada, Sakai und Yamauchi "Novel Method Using White Spectral Probe Signals to Measure Brillouin Gain Spectra of Pure Silica Core Fibres" in "Electronics Letters" Band 28 (1992), S. 247-249. Dort werden in eine zu untersuchende Lichtleitfaser von einem Ende her ein Pump-Lichtbündel von einen Laser und von dem anderen Ende her ein weißes Lichtbündel eingeleitet. Die Lichtbündel werden durch Koppler an einem Detektor überlagert. Dem Detektor ist ein Spektral- Analysator nachgeschaltet.
Diese Anordnung erfordert ebenfalls eine Zugänglichkeit beider Enden der zu untersuchenden Lichtleitfaser.
Der bereits eingangs zitierte Aufsatz von Tkach, Chraplyvy und Derosier "Spontaneous Brillouin Scattering für Single-mode Optical-Fibre Characterisation" in "Electronics Letters" Band 22, S. 1011-1013 beschreibt eine Anordnung, bei welcher ein Pump-Lichtbündel von einem Pumplaser über einen optischen Isolator und einen Koppler auf eine zu untersuchende Lichtleitfaser aus Glas geleitet wird. Durch spontane Brillouin-Streuung wird in der zu untersuchenden Lichtleitfaser aus Glas ein rückgestreutes Lichtbündel erzeugt. Über den Koppler wird ein Teil des Pump-Lichtbündels ausgekoppelt und auf einen Spiegel geleitet. Der Spiegel wirft dieses ausgekoppelte Lichtbündel in sich zurück und leitet es wieder auf den Koppler. Dort wird es einem ausgekoppelten Teil des von der Lichtleitfaser aus Glas rückgestreuten Lichts überlagert. Die überlagerten Lichtbündel fallen auf einen Detektor. Der Detektor erfaßt die Frequenzdifferenzen. Ein Spektral- Analysator liefert dann das Brillouin-Verstärkungsprofil.
In einem Aufsatz von Tsun, Wada und Yamauchi "Wavelength Dependences of Brillouin Frequency Shifts of Optical Fibres in 1.55 µm Wavelength Region" in "Electronics Letters" Band 27 (1991), S. 1764-1765 wird eine ähnliche Anordnung beschrieben. Dort wird ebenfalls ein Teil des Pump-Lichtbündels durch einen Koppler über einen Tor des Kopplers in einen ersten, einen optischen Isolator enthaltenden Zweig ausgekoppelt. Das von der zu untersuchenden Lichtleitfaser aus Glas durch spontane Brillouin- Streuung rückgesteuerte Lichtbündel wird über einen zweiten Tor des Kopplers in einen zweiten, ebenfalls einen optischen Isolator enthaltenden Zweig ausgekoppelt. Die Lichtbündel in den beiden Zweigen werden durch einen weiteren Koppler an einem Detektor überlagert. Dem Detektor ist ein Spektral- Analysator nachgeschaltet.
Bei den beiden letztgenannten Veröffentlichungen wird jeweils ein Teil des Pump-Lichtbündels mit dem durch spontane Brillouin-Streuung erzeugten Lichtbündel an einem geeigneten Detektor überlagert. Durch einen Spektral-Analysator kann dann das Brillouin-Verstärkungsprofil oder Brillouin-Spektrum direkt sichtbar machen. Im Gegensatz zu der mit zwei Lasern arbeitenden Anordnung nach der erstgenannten Druckschrift braucht nur ein Ende der zu untersuchenden Lichtleitfaser zugänglich zu sein. Es ergibt sich der Vorteil einer automatischen Skalierung.
Die dabei auftretenden Differenzfrequenzen entsprechen den Frequenzen der an der Brillouin-Streuung beteiligten Phononen. Diese Differenzfrequenzen liegen je nach der Frequenz des verwendeten Pumplasers im Bereich zwischen 10 und 20 Gigahertz. Es ergibt sich dabei eine relativ schlechte Frequenzauflösung im Megahertz-Bereich durch unvermeidliche Driften der Frequenz des Pumplasers.
Ein Aufsatz von Kaoru Shimizu, Tsuneo Horiguchi, Yahei Koyamada und Toshio Kurashima "Coherent self-heterodyne detection of spontaneously Brillouin-scattered light waves in a single-mode fiber" in "Optics Letters", Bd. 18, No. 3, 1.2.93, Seiten 185-187 beschreibt eine Anordnung, bei welcher mit einem optischen Zeitbereichs-Reflektometer Messungen spontaner Brillouin-Streuung an Lichtleitfasern vorgenommen werden. Das geschieht mittels eines Selbst-Heterodyn-Empfangssystems mit einem Frequenzumsetzer und einer einzigen Quelle von Lichtwellen. Die Lichtwelle wird in eine Meß- und eine Referenzlichtwelle aufgespalten. Die Frequenz der Meßlichtwelle wird mittels des Frequenzumsetzers aufwärts-transformiert um einen Betrag, der ungefähr gleich der Brillouin-Frequenzverschiebung ist. Die frequenzverschobene Meßlichtwelle wird in die Faser geleitet und erfährt spontane Brillouine-Streuung. Da die Frequenz der so gestreuten Meßlichtwelle auf etwa die Frequenz der Referenzlichtwelle "herunter-transformiert" wird, ist ein kohärenter Selbst-Heterodyn-Empfang spontaner Brillouin- Streuung möglich, ohne daß dazu ein sehr schneller Detektor erforderlich wäre.
Die US 4 159 178 zeigt einen Ringlaserkreisel mit stimulierter Brillouin-Streuung.
Ausgehend von einer Vorrichtung zur Untersuchung von Lichtleitfasern aus Glas mittels Heterodyn-Brillouin- Spektroskopie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, diese Vorrichtung so auszugestalten, daß mit einfachen Mitteln das Brillouin-Verstärkungsprofil mit hoher Frequenzauflösung bestimmt werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei der Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß ein Ringresonator vorhanden ist, auf welchen ein Teilbündel des von dem Pumplaser ausgehenden Lichtbündels geleitet ist, und das von dem Pumplaser abgeleitete Lichtbündel, das dem von der zu untersuchenden Lichtleitfaser aus Glas rückgesteuerten Lichtbündel überlagert wird, durch stimulierte Brillouin-Streuung des Teilbündels in dem Ringresonator erzeugt wird.
Der Pumplaser erzeugt einmal spontane Brillouin-Streuung in der zu untersuchenden Lichtleitfaser aus Glas. Gleichzeitig bildet der Pumplaser durch stimulierte Brillouin-Streuung in dem Ringresonator einen Ringlaser. Der Ringlaser liefert ein Lichtbündel als Referenzlichtbündel, das eine äußerst geringe Linienbreite von weniger als einem Kiloherz besitzt.
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 9.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Untersuchung von Lichtleitfasern mittels Heterodyn- Brillouin-Spektroskopie.
Fig. 2 zeigt ein Brillouin-Verstärkungsprofil in Verbindung mit den Resonanzkurven des Ringresonators.
In Fig. 1 ist mit 10 ein Pumplaser bezeichnet. Der Pumplaser leitet ein Pump-Lichtbündel P in einer Lichtleitfaser aus Glas 12 über einen Viertorkoppler 14 in eine zu untersuchende Lichtleitfaser aus Glas 16. Der Viertorkoppler 14 hat vier Tore 18, 20, 22 und 24. Die Tore 18 und 20 liegen in einer durchgehenden Lichtleiterfaser aus Glas und die Tore 22 und 24 liegen in einer durchgehenden Lichtleiterfaser aus Glas, wobei in bekannter Weise eine Kopplung von Licht von einer dieser Lichtleitfasern in die andere stattfinden kann. Das Pump-Lichtbündel P von dem Pumplaser, das durch die Lichtleiterfaser aus Glas 12 geleitet wird, wird zum Teil über die Tore 18 und 20 direkt auf die zu untersuchende Lichtleiterfaser aus Glas 16 geleitet. Ein Teil des Pump- Lichtbündels P wird aber aus der Lichtleitfaser aus Glas 12 über das Tor 18 und das im wesentlichen in gleicher Richtung laufende Tor 24 des Viertorkopplers 14 auf eine Lichtleitfaser aus Glas 26 geleitet. Die Lichtleitfaser aus Glas 26 führt zu einem Viertorkoppler 28.
Der Viertorkoppler 28 weist ein erstes Tor 30 auf, das mit der Lichtleitfaser aus Glas 26 verbunden ist. Ein zweites Tor 32 des Viertorkopplers 28 bildet eine durchgehende Lichtleitfaser mit dem ersten Tor 30 und ist mit einer Lichtleitfaser 34 optisch verbunden. Die Lichtleitfaser aus Glas 34 führt zu einem photoelektrischen Detektor 36 in Form einer Photodiode. Praktisch sind die Lichtleitfasern aus Glas 26 und 34 Teile einer durchgehenden, durch den Viertorkoppler 28 hindurchgeführten Lichtleitfaser aus Glas.
Über den Viertorkoppler 28 ist ein Ringresonator 38 in Form eines Faserringes an die Lichtleitfaser aus Glas 26 angekoppelt. Der Faserring ist eine in sich geschlossene Lichtleiterfaser aus Glas, welche durch den Viertorkoppler 28 hindurchgeführt ist und dessen restliche Tore 40 und 42 bildet.
Das Tor 22 des Viertorkopplers 14 ist mit einer Lichtleiterfaser aus Glas 44 verbunden. Die Lichtleiterfaser aus Glas 44 ist zu einem photoelektrischen Detektor 46 geführt. Der Detektor 46 hat eine quadratische Kennlinie. Vor dem photoelektrischen Detektor 46 ist ein optisches Filter 48 angeordnet. Das Signal des photoelektrischen Detektors ist auf einen RF-Spetral- Analysator 50 geschaltet, der in der Zeichnung "Spektrum-Analysator" heißt.
Der Ringresonator 38 ist in einem Thermostaten 52 angeordnet. Die Temperatur T des Thermostaten 52 ist durch einen Regler 54 regelbar. Der Regler 54 ist von dem Signal des photoelektrischen Detektors 36 und dem Signal des photoelektrischen Detektors 46 beaufschlagt. Er regelt die Temperatur des Thermostaten 52 über ein Stellglied 56. Das Signal des photoelektrischen Detektors 36 ist weiterhin auf einen Regler 58 aufgeschaltet. Der Regler 58 regelt die Frequenz des Pumplasers.
Die zu untersuchende Lichtleiterfaser aus Glas 16 ist eine Strecke in einem Lichtleiterfasernetz. Die Lichtleiterfaser aus Glas 16 dient zur optischen Übertragung von Signalen. Das ist durch einen photoelektrischen Detektor 60 an dem der Meßeinrichtung abgewandten Ende der Lichtleitfaser aus Glas 16 angedeutet.
Die beschriebene Anordnung arbeitet wie folgt:
Der Pumplaser 10 erzeugt ein Pump-Lichtbündel P, das über die Tore 18 und 20 des Viertorkopplers 14 auf die zu untersuchende Lichtleitfaser aus Glas 16 geleitet wird. Ein Teil des Pump- Lichtbündels P wird jedoch durch den Viertorkoppler 14 ausgekoppelt und über dessen Tor 24 auf die Lichtleitfaser 26 geleitet. Über die Tore 30 und 40 des Viertorkopplers 28 wird wieder ein Teil dieses ausgekoppelten Lichtbündels mit der Frequenz des Pumplasers in den Ringresonator 38 eingekoppelt. In der zu untersuchenden Lichtleitfaser aus Glas 16 wird durch das Pump-Lichtbündel P eine spontane Brillouin-Streuung hervorgerufen. Es entsteht dadurch ein rückgestreutes Lichtbündel B. Die Frequenz oder Frequenzen des durch die spontane Brillouin-Streuung rückgestreuten Lichtbündels B sind gegenüber der Frequenz des Pump-Lichtbündels verschoben. Ein Teil dieses rückgestreuten Lichtbündels B aus der zu untersuchenden Lichtleitfaser aus Glas 16 wird über die Tore 20 und 22 des Viertorkopplers 14 ausgekoppelt und auf die Lichtleitfaser aus Glas 44 geleitet, die über das Filter 48 zu dem Detektor 46 führt.
Der über die Tore 18 und 24 des Viertorkopplers 14 ausgekoppelte Teil des Pump-Lichtbündels P wird über die Tore 30 und 40 des Viertorkopplers 28 in den Ringresonator 38 eingekoppelt. Dieser in den Ringresonator 38 eingekoppelte Teil des Pump-Lichtbündels P ruft eine stimulierte Brillouin- Streuung hervor. Es entstehet ein rückgestreutes Lichtbündel SBS in dem Ringresonator. Das rückgestreute Lichtbündel SBS wird teilweise ausgekoppelt und über die Tore 40 und 30 des Viertorkopplers 28, die Lichtleitfaser aus Glas 26 und die Tore 24 und 22 des Viertorkopplers 14 auf die Lichtleitfaser aus Glas 44 geleitet. Dort wird dieses rückgestreute Lichtbündel SBS aus dem Ringresonator dem rückgestreuten Lichtbündel S aus der zu untersuchenden Lichtleitfaser aus Glas 16 überlagert. Es tritt weiterhin Rayleigh-Streuung auf. Diese ist in Fig. 1 mit Pr bezeichnet. Diese Rayleigh-Streuung hat die Frequenz des Pumplasers 10. Diese Rayleigh-Streuung wird, wie in Fig. 1 angedeutet ist, durch das optische Filter 48 unterdrückt.
Der mit dem Ringresonator 38 gebildete "Referenzlaser" emittiert das Lichtbündel, das durch stimulierte Brillouin- Streuung hervorgerufen wird, mit sehr geringer Linienbreite. Die Linienbreite beträgt weniger als ein Kilohertz. Für die elektrische Feldstärke gilt dann in guter Näherung.
E(ω) = 1/2 [EBog(ω)exp (iωt)+ERefexp(iωReft)+konjugiert komplex]
mit
ωRef = 2 fRef-fRef = Frequenz des "Referenzlasers"
EBo = Peak-Feldstärke des durch spontane Brillouin-Streuung rückgestreuten Lichtbündels,
g(ω) = Brillouin-Verstärkungsprofil
ERef = Feldstärke des "Referenzlasers".
Am Detektor 46 ergibt sich dann unter Vernachlässigung schnell oszillierender Terme:
I(ω) = EE* = [EBog(ω)]²+ERef²+. . . 2ERefEBog(ω) cos[(ω-ωRef)t]
Die ersten Terme des Detektorsignals sind zeitlich konstant, entsprechen also der Frequenz null. Der letzte der aufgeführten Terme hat eine Frequenz, die der Zwischenfrequenz entspricht. Dabei liegt ωRef fest. Die Frequenz ω nimmt verschiedene Werte an, entsprechend dem Brillouin- Verstärkungsprofil g(ω). Der Spektrum-Analysator 50 liefert ein Spektrum Amplitude über Signalfrequenz. Dieses Spektrum entspricht, bis auf den konstanten Faktor 2ERefEBo dem Brillouin-Verstärkungsprofil g(ω).
Die Zwischenfrequenz kann durch die Materialwahl des den Ringresonator 38 bildenden Faserringes und durch die Temperatur des Thermostaten in weiten Grenzen (zwischen 0 und einigen 100 MHz) eingestellt werden. Es ist also möglich, die Referenzfrequenz in die Nähe der Frequenzen zu legen, die in dem durch Brillouin-Streuung in der zu untersuchenden Lichtleitfaser aus Glas 16 erzeugten Lichtbündel auftreten. Dadurch ist eine um mehrere Größenordnungen höhere Frequenzauflösung gegenüber bekannten Anordnungen der eingangs beschriebenen Art möglich. Dort treten Zwischenfrequenzen im Bereich von zehn Gigahertz auf. Das Brillouin-Spektrum ist dort auch nur mit einem wesentlich aufwendigeren HF-Spektral-Analysator, verglichen mit dem RF-Spektral-Analysator 50 der vorliegenden Anordnung, möglich.
Als Material für den Ringresontor des als Brillouin-Ringlaser wirkenden "Referenzlasers" wird eine Lichtleitfaser aus Glas gewählt, die eine möglichst große Brillouin-Verschiebung, also Frequenzdifferenz zwischen dem Pump-Lichtbündel und dem durch stimulierte Brillouin-Streuung rückgestreutem Lichtbündel aufweist. Dadurch wird sichergestellt, daß für die auf einer Faserstrecke ggf. zu detektierenden Brillouin-Resonanzen ωi gilt:
ωRef < ωi und das Differenzspektrum in abnehmender Folge der Brillouin-Verschiebung geordnet auftritt, was die spektrale Analyse vereinfacht. Das kann beispielsweise eine Lichtleitfaser mit stark F--dotiertem SiO₂-Glas als Glasfaser- Mantel und reinem SiO₂-Glas für den Kern sein (vgl. den oben zitierten Aufsatz von Shibata et al.). Die Brillouin- Verschiebung ist temperaturabhängig. Man kann nun die Temperatur T des Thermostaten 52 so wählen, daß die Spitze des Brillouin-Verstärkungsprofils des rückgestreuten Lichtbündels aus der untersuchten Lichtleitfaser aus Glas mit der Frequenz des Ringresonators zusammenfällt. Durch den Detektor 36 und den Regler 58 wird der Pumplaser 10 auf die Frequenz des "Referenzlasers" abgestimmt. Bei Abstimmung des Pumplasers 10 auf die Frequenz des Referenzlasers ist das Signal am Detektor 36 ein Minimum. Der Regler 54 sorgt nun durch Veränderung der Temperatur T des Thermostaten 52 dafür, daß das Brillouin- Verstärkungsprofil auf die Frequenz des Referenzlasers abgestimmt wird. Das geschieht vorteilhafterweise in der Form, daß durch die Temperaturänderung und die damit verbundene Änderung der Brillouin-Verschiebung die Frequenz eines Maximums des Brillouin-Vertärkungsprofils mit der Frequenz des Referenzlasers übereinstimmt. Der Abstimmkoeffizient, also die Änderung der Brillouin-Verschiebung pro Temperatureinheit liegt in der Größenordnung MHz/K. Schon eine sehr einfache Thermostatisierung mit einer Temperaturkonstanz von < 0,1 K liefert daher eine relative Frequenzgenauigkeit besser als ein Megahertz für das Überlagerungssignal am Detektor 46.
Durch geeignete Wahl des freien Spektralbereichs des Ringresonators können verschiedene, wohldefinierte Arbeitspunkte vorgesehen werden. Das ist in Fig. 2 dargestellt. Dort sind mehrere Resonanzkurven 62, 64, 66, 68 und 70 des Ringresonators 38 mit definierten Frequenzen darstellt. Mit 72 ist - gepunktet dargestellt - ein Beispiel eines Verlaufs des Brillouin-Verstärkungsprofils bezeichnet. Durch Veränderung der Temperatur T des Thermostaten 52 kann erreicht werden, daß das Maximum des Brillouin-Verstärkungsprofils mit dem Maximum der Resonanzkurve 62 zusammenfällt, wie durch Kurve 74 dargestellt ist. Wenn das Brillouin-Verstärkungsprofil zu weit von der Resonanzkurve 62 abliegt, so daß das Maximum des Brillouin-Verstärkungsprofils durch Temperaturänderung des Thermostaten 52 nicht das Maximum dieser Resonanzkurve verschoben werden kann, dann kann stattdessen eine Verschiebung auf das Maximum einer der anderen, ebenfalls wohldefinierten Resonanzkurven 64, 66, 68 oder 70 erfolgen. Der Abstand zweier Resonanzkurven z. B. 62 und 64 entspricht bei dem oben erwähnten Faseraufbau einer Temperaturänderung des Thermostaten von etwa 40°C. Dadurch ist eine Anwendung im Feldeinsatz auch unter schwierigen Umweltbedingungen möglich.
Die Signale des Spektral-Analysators 50 können druch eine Datenverarbeitungs-Einrichtung analysiert werden. Es können die Peak-Positionen und Halbwertsbreiten des Brillouin- Verstärkungsprofils bestimmt werden. Daraus und ggf. durch "Pattern Matching"-Algorithmen kann eine quantitative Charakterisierung des Fasermaterials der Meßstrecke gewonnen werden.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Untersuchung von Lichtleitfasern aus Glas mittels Heterodyn-Brillouin-Spektroskopie, bei welcher
  • - von einem Pumplaser (10) ein Lichtbündel auf ein Ende der zu untersuchenden Lichtleitfasern aus Glas (16) geleitet wird, derart daß in der Lichtleitfaser aus Glas (16) spontane Brillouin-Rückstreuung entsteht,
  • - das durch die spontane Brillouin-Rückstreuung rückgestreute Lichtbündel einem von dem Pumplaser (10) abgeleiteten Lichtbündel überlagert wird und beide auf einen Detektor (46) geleitet werden und
  • - das Ausgangssignal des Detektors auf einen Spektral- Analysator (50) aufgeschaltet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • - ein Ringresonator (38) vorhanden ist, auf welchen ein Teilbündel des von dem Pumplaser (10) ausgehenden Lichtbündels geleitet ist, und
  • - das von dem Pumplaser (10) abgeleitete Lichtbündel, das dem von der zu untersuchenden Lichtleitfaser aus Glas (16) rückgestreuten Lichtbündel überlagert wird, durch stimulierte Brillouin-Streuung des Teilbündels in dem Ringresonator (38) erzeugt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Regler (54, 56) zur Regelung der Frequenz des in dem Ringresonator (38) durch stimulierte Brillouin-Streuung rückgestreuten Lichts vorhanden ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (54, 56) zur Regelung der Frequenz des in dem Ringresonator rückgestreuten Lichtes aus Mitteln zur thermostatisierten Veränderung der Temperatur des Ringresonators (38) besteht.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze des Brillouin- Verstärkungsprofils auf die Resonanzfrequenz des Ringresonators (38) abgestimmt ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Regelkreis (36, 58) zur Regelung der Frequenz des Pumplasers (10) auf die Resonanzfrequenz des Ringresonators (38) und ein zweiter Regelkreis (36, 54, 56) zur Regelung der Spitze des Brillouin-Verstärkungsprofils (74) ebenfalls auf die Resonanzfrequenz des Ringresonators (38) vorhanden sind, wobei der zweite Regelkreis den Regler (54, 56) zur Regelung der Frequenz des im Ringresonator (38) durch stimulierte Brillouin-Streuung rückgestreuten Lichts umfaßt.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - der Ringresonator faseroptisch ist,
  • - zwischen Pumplaser (10) und Lichtleitfaser aus Glas (16) ein Viertorkoppler (14) angeordnet ist, dessen erstes Tor (12) mit dem Pumplaser (10) optisch verbunden ist und durch den das von dem Pumplaser (10) ausgehende Lichtbündel teils auf ein zweites, mit der Lichtleitfaser aus Glas (16) verbundenes Tor (20) und teils auf ein drittes Tor (26) geleitet wird,
  • - das dritte Tor (26) mit dem faseroptischen Ringresonator (38) bestehend aus einem zweiten Koppler (28) und einer Faserschleife verbunden ist, so daß ein Lichtbündel von dem dritten Tor (26) des Viertorkopplers (28) resonant in den faseroptischen Ringresonator (38) eingeleitet wird und dort stimulierte Brillouin- Streuung hervorruft, und
  • - das so durch die stimulierte Brillouin-Streuung in dem faseroptischen Ringresonator (38) rückgestreutes Licht teilweise über den zweiten Koppler (28) und das dritte Tor (26) des Viertorkopplers (14) auf ein viertes Tor (22) des Viertorkopplers (14) geleitet wird, das mit dem Detektor (46) optisch verbunden ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein das vorlaufende Licht von dem Pumplaser (10) führendes Tor (32) des zweiten Kopplers (28) optisch mit einem Detektor (36) verbunden ist, durch dessen Signal der Pumplaser (10) über einen Regler (58) regelbar ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Detektor (46) ein optisches Filter (48) zur Unterdrückung von Licht mit der Wellenlänge des Pumplasers (10) angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (46) eine quadratische Kennlinie besitzt.
DE4314189A 1993-04-30 1993-04-30 Vorrichtung zur Untersuchung von Lichtleitfasern aus Glas mittels Heterodyn-Brillouin-Spektroskopie Expired - Fee Related DE4314189C1 (de)

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