DE68902224T2 - Verfahren zum analysieren von optischen komponenten, optischen fasern oder netzwerken von optischen leitern durch zeitbereichsreflektometrie und zeitbereichsreflektometer. - Google Patents

Description

• Optische Zeitbereichsreflekometrie erlaubt die Analyse von optischen Komponenten, optischen Fasern oder Netzwerken von optischen Leitern. Sie wird zum Beispiel verwendet, um Verluste durch Einsetzten von Verbindungsstücken oder Verspleissungsverluste zu bewerten, um Abschnittslängen von Fasern zu bestimmen, Fehler zu lokalisieren und identifizieren sowie die lineare Abschwächung zu bewerten.
• Nach ihrem herkömmlichen Prinzip wird ein Sondenimpuls genannter Lichtimpuls in einen optischen Leiter eingeführt, der mit dem System verbunden ist, das analysiert werden soll. Während seiner Ausbreitung wird ein kleiner Teil der optischen Leistung dieses Impulses zurückgestreut durch Inhomogenitäten des Brechungsindex des zu analysierenden Systems, durch Fehler und durch die Dioptrieen, auf die der Impuls trifft, sowie durch Übergänge und Verbindungsbauteile (Verbinder, Koppler, Abschwächer...) .
• Dieses rückgestreute Antwortsignal ist ein Charakteristikum des Systems und enthält spezifische Eigenschaften der Gesamtheit seiner Bauteile.
• Es wird von einem Photodetektor empfangen, und das entsprechende, von einem Detektor-Verstärker-Baustein gelieferte elektrische Signal wird verarbeitet und angezeigt. Die Darstellung des nach den Vorgängen Detektion, Verstärkung und Verarbeitung erhaltenen Signals sei mit "Rückstreuspur" bezeichnet.
• Ein derartiges Reflektometer ist nach dem Dokument EP-A-0238134 bekannt.
• Die Güte eines Reflektometers, das die Durchführung dieses Verfahrens erlaubt, hängt gleichzeitug von seiner Messdynamik und seinem Auflösungsvermögen ab.
• Die Auflösung ist das Vermögen des Reflektometers, den Signalbeitrag zu trennen, der jeweils von Fehlern, Dioptrieen oder Bauteilen rückgestreut wurde. Sie ist umso besser, je kürzer die Sondenimpulsdauer ist und je breiter die Detektor-Verstärker-Übertragungsbandbreite ist.
• Die Dynamik, ausgedrückt in Dezibel, ist der Maximalwert des Verhältnisses zwischen Signal und Rauschen, aufgenommen am Anfang der Rückstreuspur. Sie steigt mit der Energie der Sondenimpulse (also mit der Impulsdauer) und fällt mit der Detektor-Verstärker- Übertragungsbandbreite.
• Für ein gegebenes System steigt die durch ein Reflekometer analysierbare Länge (Reichweite) mit dessen Dynamik.
• Die Forderungen nach grosser Dynamik und hoher Auflösung erscheinen also gegensätzlich und haben bisher nur zu einem Kompromiss zwischen diesen beiden Qualitäten geführt. Bestimmte bekannte Geräte bevorzugen die Dynamik auf Kosten der Auflösung, während andere lieber eine bessere Auflösung bei schwächerer Dynamik anbieten.
• Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Analysieren von optischen Komponenten, optischen Fasern oder Netzwerken von optischen Leitern durch Zeitbereichsreflektometrie vorzustellen, das gleichzeitig grosse Dynamik und hohe Auflösung ermöglicht.
• Es ist gleichermassen Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein Reflektometer vorzustellen, das die Durchführung dieses Verfahrens ermöglicht.
• Ein wesentlicher Beitrag der Erfindung ist es, die allgemein anerkannte Beschränkung nicht zuzugeben und Mittel vorzustellen, um sich davon zu befreien.
• Dazu ist das erfindungsgemässe Verfahren zum Analysieren von optischen Komponenten, optischen Fasern oder Netzwerken von optischen Leitern durch Zeitbereichsreflektometrie von der Art, dass ein Sonden-Lichtsignal aus kurzen, periodischen Impulsen in einen Leiter geschickt wird, der mit dem zu analysierenden System verbunden ist, wobei der rückgestreute Sondenimpuls analysiert wird. Es ist dadurch gekennzeichnet, dass das rückgestreute Antwortsignal durch Wechselwirkung mit dem Pumpsignal genannten Lichtsignal gemustert wird, das aus kurzen, periodischen Impulsen besteht, so daß ein neues, gemustertes Signal genanntes Signal entsteht, das von einem Photodetektor empfangen wird, der unempfindlich gegenüber dem Pumpsignal und gegenüber dem rückgestreuten Antwortsignal ist. Die Wiederholfrequenz der Impulse des Pumpsignals liegt in der Nähe derjenigen der Impulse des Sondensignals oder in der Nähe eines Vielfachen oder eines Bruchteils dieser Frequenz. Das Wiederherstellen des rückgestreuten Antworsignals wird ausgehend von Signalmustern verwirklicht, die vom Photodetektor geliefert werden.
• Das Zeitbereichsreflektometer zum Analysieren von optischen Komponenten, optischen Fasern oder Netzwerken von optischen Leitern ist vom Typ, der Mittel zur Emission eines Sonden-Lichtsignals aus kurzen, periodischen Impulsen, eine Vorrichtung zum Trennen des Lichtflusses, die es erlaubt, das Sondensignal in einen mit dem zu analysierenden System verbundnen Leiter einzuführen und das rückgestreute Antwortsignal herauszuführen, und Mittel zur Analyse des rückgestreuten Antwortsignals enthält.
• Die erfindungsgemässen Mittel zur Analyse des rückgestreuten Antwortsignals enthalten Mittel zum Erzeugen einer Pumplichtwelle aus kurzen, periodischen Impulsen, wobei die Wiederholfrequenz dieser Impulse in der Nähe derjenigen der Impulse des Sondensignals oder in der Nähe eines Vielfachen oder eines Bruchteils dieser Frequenz liegt, Mittel, die die Wechselwirkung der Pumpwelle mit dem rückgestreuten Antwortsignal so sicherstellen, dass das Mustern des Antwortsignals und das Erzeugen eines gemusterten Lichtsignals erreicht wird, einen Photodetektor, der das gemusterte Lichtsignal ermpfängt und der unempfindlich gegenüber dem Pumpsignal und gegenüber dem rückgestreuten Antwortsignal ist, eine elektronische Einheit , die die vom Photodetektor aufgenommenen Signalmuster verarbeitet und speichert und die das rückgestreute Antwortsignal wiederherstellt.
• Die Erfindung wird im folgenden detaillierter bezugnehmend auf die folgenden Abbildungen beschrieben:
• - Die Abbildung 1 stellt eine Rückstreuspur dar.
• - Die Abbildung 2 stellt ein Prinzipschema des erfindungsgemässen Verfahrens das.
• - Die Abbildung 3 ist eine Darstellung des erfindungsgemässen Reflekometers.
• - Die Abbildung 4 ist ein erklärendes Prinzipschema des erfindungsgemässen Verfahrens.
• Die in Abb. 1 dargestellte Rückstreuspur enhält ein Maximum oder mehrere Maxima 2 bis 3, die durch das Sondensignal 11 während seiner Fortpflanzung durch das System 8 erzeugt wurden.
• Zwischen den Maxima 1 bis 3 ist der Abfall der Spur im Bereich 4 Funktion der Leitungsdämpfung der Faser.
• Das Rauschen der Detektor-Verstärker-Einheit ist in 6 dargestellt.
• Das Maximum 1 wird durch die Reflexion des Sondenimpuls 11 am Eingang des Systems 8 erzeugt. Das Rausch-Signal-Verhältnis am Punkt 5 am Fuss des Maximums 1 gibt die Dynamik des Reflektometers an.
• Das Reflekometer 7 dient zur Analyse des Systems 8, das aus einer Einheit beliebiger optischer Leitungelemente besteht. Meistens handelt es sich dabei um eine Einheit von optischen Fasern, Netzwerken von optischen Leitern und verschiedenen Bauteilen, Verbindern, Kopplern, Abschwächern, ...
• Eine derartige Einheit kann Element eines Telekommunikationsnetzwerks aus optischen Fasern sein.
• Die Verbindung des Reflektometers 7 mit der Einheit 8 ist durch die Verbindung 9 verwirklicht. Ein Y-Koppler 10 erlaubt das Senden eines von der Quelle 12 ausgesandten Lichtsignals 11 in die Einheit 8 und des Empfang des rückgestreuten Signals 13.
• Üblicherweise wird das rückgestreute Signal direkt auf genommen, dann, elektronisch gemustert, behandelt, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu erhöhen, und angezeigt.
• Nach der Erfindung hingegen wird dieses rückgestreute Signal 13 optisch so gemustert, dass es ein Lichtsignassl 14 erzeugt, das seinerseits von einem Photodetektor 15 in ein elektrisches Signal 16 verwandelt wird. Die Verarbeitungseinheit 17 stellt dann ein elektrisches Signal 18 wieder her, das dem rückgestreuten optischen Signal 13 entspricht. Dieses Signal 18 wird dann entweder angezeigt oder direkt verwendet für jede gewünschte Weiterverarbeitung.
• Die Musterung erfogt durch ein opto-optisches Gatesystem, das von einem Laser oder einer Laserdiode 20 gesteuert wird, der oder die Impulse 21 produziert. Das opto-optische Gate 19 enthält einen nichtlinearen Kristall 22, und der Laser 20 emittiert Lichtimpulse 21, die ein periodisches Pumpsignal darstellen, deren Wiederholfrequenz in der Nähe derjenigen der Impulse des Sondensignals oder in der Nähe eines Vielfachen oder eines Bruchteils dieser Frequenz liegt.
• Die Einwirkung des Sondensignals 11 auf das System optischer Leiter 8 erzeugt rückgestreute optische Signale 13. Jedes dieser Signale hat eine Dauer, die wesentlich über der Impulsdauer des Sondensignals 11 liegt. Die Form dieser Signale ist Funktioon der Art der Elemente, die die Rückstreuung hervorgerufen haben. Das opto- optische Gate 19 erzeugt ein optisches gemustertes Signal, das vom Photodetektor 15 empfangen wird. Jedes der Signale 14 wird durch die Übertragsfunktion des Detektors 15 verformt und damit wesentlich verbreitert. Auf jeden Fall erlaubt es die elektronische Verarbeitung dieses Signals durch die Verarbeitungseinheit 15, sich von dieser Verbreiterung zu befreien und ein elektrisches Signal wiederherzustellen, das dem optischen Signal 13 im Wesentlichen ähnlich ist. Dazu kann die Verarbeitungseinheit 17 zum Beispiel jedem Impuls einen Wert zuweisen, der Funktion des Energie des entsprechenden Impulses 16 ist.
• Das erfindungsgemässe Verfahren erlaubt es, sich von der Übertragungsfunktion des Detektors 15 zu befreien und damit eine Detektor-Verstärker-Einheit zu benutzen, die eine geringe Übertragungsbandbreite hat.
• Es genügt, wenn sie gleich dem Inversen der Wiederholperiode der Pumpimpulse 21 ist, damit liegt sie weit unterhalb derjenigen, die von Verfahren nch dem bisherigen Stand der Technik benötigt wurde, die von der Grössenordnung des Inversen der Dauer des Sondenimpulses ist. In der Tat ist die Auflösung des Reflektometers nicht mehr durch die Übertragungsbandbreite der Detektor-Verstärker-Einheit bestimmt, sondern durch die Daten des opto-optischen Gates, das ultraschnelle Effekte der nichtlinearen Optik verwendet.
• Nach der Erfindung führt der sehr hohe Auslöschungsgrad des Gates 19, verbunden mit dem geringen Wert der Übertragungsbandbreite der Detektor-Verstärker-Einheit zu einer sehr viel grösseren Dynamik als derjenigen, die die Vorrichtungen und Verfahren nach dem bisherigen Stand der Technik erlauben, ohne auf Auflösungsvermögen verzichten zu müssen.
• Die Quellen 12 und 20 sind Quellen, die kurze und kohärente Lichtimpulse liefern können. Dies sind vorzugsweise Laser oder Laserdioden.
• Die zum Erzeugen der Sondenimpulse verwendeten Laserdioden emittieren vorzugsweise Signale mit Wellenlängen von 0.85 Mikron, 1,3 Mikron oder 1,55 Mikron, die üblicherweise in optischen Leitern verwendet werden.
• Verschiedene Typen opto-optischer Gates können verwendet werden, vorzugsweise wird ein Kristall von einer Nichtlinarität der Grössenordnung 2 verwendet, zum Beispiel ein KDP-Kristall, der eine parametrische nicht-kolineare Frequenzkonversion verwirklicht. Um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern und um eventuelle Störsignale zu vermeiden, wird der Photodetektor, der wohlgemerkt gegenüber der im Kristall erzeugten Frequenz empfindlich ist, gleichzwitig gegenüber dem rückgestreuten Antwortsignal und dem Pumpsignal unempfindlich gemacht. Dazu wird dem Photodetektor ein Farbfilter 28 oder ein räumliches Filter vorgeschaltet, oder gleichzeitig beides.
• Wenn T1 die Zeit zwischen zwei Impulsen des Sondensignals 11 ist, wird f1, die Wiederholungsfrequenz der Sonde 12, durch f1 = 1/T1 definiert.
• Wenn gleichermassen T2 die Zeit zwischen zwei Impulsen des Pumpsignals 21 ist, wird f2, die Wiederholungsfrequenz des Pumplasers 20, durch f2 = 1/T2 definiert. f2 wird so gewählt, dass f2 = kf1 + df, wobei k eine ganze Zahl oder das Reziproke davon ist. Dies erlaubt es, eine mit dT verbundene Auflösung zu erreichen, nachdem zwei aufeinanderfolgende Musterungen Informationen über zwei Punkte der Faser liefern, die c/N1 dT entfernt sind. c ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und N1 die Gruppengeschwindigkeit in der Faser.
• Nach einer bevorzugten Ausführungsweise wird ein optischer Verstärker 23 zwischen den optischen Koppler 10 und das opto-optische Gate 19 geschaltet, was die Auswertung schwacher rückgestreuter Signale 13 erlaubt.
• Niveaufluktuationen des Sondensignals 11 oder des Pumpsignals 21 können unerwünschte Auswirkungen auf das rückgestreute gemusterte Lichtignal 13 haben. Diese Auswirkungen können in der elektronischen Verarbeitungseinheit von der vorausgegangenen Aufnahme des Niveaus des emittierten Signals 11 und desjenigen des Pumpsignals 21 ausgehend, kompensiert werden. Dazu werden Trennelemente 24, 25 am Ausgang der Quellen 12 und 20 angebracht, um einen geringen Teil der emittierten Signale abzunehmen, Gleichermassen können die rückwärtigen Signale der Quellen 12 und 20 ausgenutzt werden, nachdem die Quellen Laser sind. Die so aufgenommenen Signale werden Detektoren 26, 27 zugeführt, die der Verarbeitungseinheit 17 elektrische Signale liefern, die für die Leistungen der Sonden- bzw. der Pumpimpulse charakteristisch sind.
• In verschiedenen speziellen Konfigurationen wird die Wiederholfrequenz der Pumpimpulse gleich derjenigen der Sondensignalimpulse oder gleich einem Vielfachen oder einem Bruchteil davon eingestellt , so dass getrennte Musterungen aufgenommen werden.
• Nachdem das gemusterte Signal 14 ein niedriges Leistungsniveau hat, wird es durch Zwischenschalten eines optischen Verstärkers 23 entweder zwischen den Koppler 23 und den Musterer 19, 20 oder nach dem Musterer 19, 20 und vor dem Detektor 15 verstärkt.
• Die Verwendung eines optischen Musterers 19, 20 erlaubt also die Analyse wiederkehrender optischer Signale 13, selbst wenn diese aus kurzen Impulsen schwacher Leiung bestehen, mit grosser Dynamik und hoher Auflösung ohne durch die Impulsübertragung der Detektor-Verstärkereinheit 15 eingeengt zu sein.

Claims (9)

1. Verfahren zum Analysieren von optischen Komponenten, optischen Fasern oder Netzwerken von optischen Leitern durch Zeitbereichsreflektometrie, in dem ein Sonden-Lichtsignal aus kurzen, periodischen Impulsen in einen Leiter geschickt wird, der mit dem zu analysierenden System verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass:

- das rückgestreute Antwortsignal durch Wechselwirkung mit einem Pumpsignal genannten Lichtsignal gemustert wird, das aus kurzen, periodischen Impulsen besteht, so daß ein neues, gemustertes Signal genanntes Signal entsteht, das von einem Photodetektor empfangen wird, der unempfindlich gegenüber dem Pumpsignal und unempfindlich gegenüber dem rückgestreuten Antwortsignal ist;

- die Wiederholfrequenz der Impulse des Pumpsignals in der Nähe derjenigen des Sondensignals oder in der Nähe eines Vielfachen oder eines Bruchteils dieser Frequenz liegt;

- das Wiederherstellen des rückgestreuten Antwottsignals ausgehend von Signalmustern verwirklicht wird, die von Photodetektor geliefert werden.

2. qZeitbereichsreflektometer zum Analysieren von optischen Komponenten, optischen Fasern oder Netzwerken von optischen Leitern vom Typ, der enthält:

- Mittel 12 zur Emission eines Sonden-Lichtimpulses aus kurzen, periodischen Impulsen,

- eine Vorrichtung 10 zum Trennen des Lichtflusses, die es erlaubt, das Sondensignal 11 in einen mit dem zu analysierenden System 8 verbundenen Leiter einzuführen und das rÜckgestreute Antwortsignal 13 herauszuführen,

- Mittel zur Analyse des rÜckgestreuten Antwortsignals, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Analyse des rÜckgestreuten Antwortsignals enthalten:

- Mittel 20 zum Erzeugen einer Pumplichtwelle 21 aus kurzen, periodischen Impulsen, wobei die Wiederholfrequenz dieser Impulse in der Nähe der Wiederholfrequenz der Impulse des Sondensignals oder in der Nähe eines Vielfachen oder eines Bruchteils dieser Frequenz liegt,

- Mittel 19, die die Wechselwirkung der Pumpwelle mit dem rÜckgestreuten Antwortsignal 13 so sicherstellen, dass das Mustern des Antwortsignals und das Erzeugen eines gemusterten Lichtsignals 14 erreicht wird,

- einen Photodetektor 15, der das gemusterte Lichtsignal 14 empfängt und der unempfindlich gegenüber dem Pumpsignal und gegenüber dem rückgestreuten Antwortsignal ist,

- eine elektronische Einheit 17, die die vom Photodetektor aufgenommenen Muster 16 verarbeitet und speichert und die das rÜckgestreute Antwortsignal 18 wiederherstellt.

3. Reflektometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel 12 zur Emission des Sondensignals und die Mittel 20 zum Erzeugen der Pumpwelle Laser oder Laserdioden sind.

4. Reflektometer nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Wellenlängen des Sondensignals, des Pumpsignals und des gemusterten Lichtsignals jeweils paarweise verschieden sind.

5. Reflektometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Photodetektor 15 Mittel 29, 28 zum Filtern nach räumlichen oder chromatischen Bereichen oder nur nach einem dieser Bereiche liegen, um seine Unempfindlichkeit gegenüber dem Pumpsignal und dem rückgestreuten Antwortsignal zu verbessern.

6. Reflektometer nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel 19 zum Sicherstellen der Wechselwirkung der Pumpwelle mit dem rückgestreuten Antwortsignal einen Kristall 22, der von der Grössenordnung zwei oder drei nichtlinear ist, oder einen optischen Leiter mit einem nichtlinaren Effekt von der Grössenordnung zwei oder drei enthält.

7. Reflektometer nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsniveau des gemusterten Signals durch direkte optische Verstärkung verstärkt wird, die auf das rückgestreute Antwortsignal zwischen dem Koppler und dem Musterer angewandt wird, oder auf das gemusterte Lichtsignal zwischen dem Musterer und dem Photodetektor oder auf beide dieser Signale.

8. Reflektometer nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es Mittel 24, 25, 26, 27 enthält, durch die Fluktuationseffekte der Sonden- und Pumpsignale auf das detektierte Antwortsignal kompensiert werden können.

9. Reflektometer nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wiederholfrequenz der Pumpimpulse gleich derjenigen der Sondensignalimpulse, gleich einem

Vielfachen oder gleich einem Bruchteil davon eingestellt werden kann, so dass Musterungen getrennt aufgenommen werden.