DE2456293A1

DE2456293A1 - Verfahren und vorrichtung zur fehlerortsbestimmung in lichtleitfasern

Info

Publication number: DE2456293A1
Application number: DE19742456293
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dr Krahn; Wolfgang Dipl Phys Weidhaas
Original assignee: Felten and Guilleaume Kabelwerke GmbH
Current assignee: Felten and Guilleaume Kabelwerke GmbH
Priority date: 1974-11-28
Filing date: 1974-11-28
Publication date: 1976-06-10
Also published as: DE2456293B2

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Fehlerortsbestimmung in Lichtleitfasern Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Fehlerortsbestimmung in Lichtleitfasern oder Lichtleitfaserkabeln.
Für derartige optische Nachrichtenkabel sind auch wie bei den bekannten konventionellen Kabeltypen Beschädigungen, z.B.
Kabelbrüche, nie auszuschließen. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Fehlerortsbestimmung zu schaffen, mit dem mit hinreichend großer Genauigkeit der Fehlerort von einem Faser- oder Kabelende aus in der Lichtleitfaser oder dem Lichtleitfaserkabel aufgefunden werden kann, ohne daß dazu die Faser oder das Kabel selbst untersucht werden muß oder beispielsweise parallel zur Faser oder zum Kabel separate Meßadern vorgesehen werden müssen.
Erflndungsgemiß wird dies dadurch erreicht, daß ein von einer Lichtquelle, z.B. einem Laser, erzeugter kurzer Lichtimpuls derart geteilt wird, daß er teilweise in die zu messende Faser eingekoppelt und teilweise auf einen Lichtempfänger reflektiert wird, und der in die Faser eingekoppelte Lichtanteil an der Fehlerstelle teilweise reflektiert und ebenfalls auf den Lichtempfänger geleitet und die Laufzeitdifferenz der beiden Teilstrahlen gemessen wird. Dieses Meßverfahren wird dadurch ermöglicht, daß an der Bruchstelle einer Lichtleitfaser zwar der größte Teil des ankommenden Lichtes austritt, ein beträchtlicher Teil aber auch wieder reflektiert wird, so daß das mit einer starken Lichtquelle erzeugte kurze Lichtsignal, das in die Faser eingestrahlt worden ist, dazu verwendet werden kann, die Zeit zu messen, die das Lichtsignal braucht, um amdie Lichteintrittsstelle zurückzukehren. Als Lichtquelle wird vorzugsweise ein Laser mit möglichst hohen und kurzen monochromatischen Lichtimpulsen verwendet, beispielsweise mit einer Wellenlänge des abgegebenen Lichtes von 0,2 bis 1,5 Mikrometer.
In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorteilhaft, wenn das Licht des Lasers senkrecht zur Einfallsebene einer das Laserlicht in die beiden- Teilstrahlen teilenden Vorrichtung polarisiert ist. Durch eine derartige Polarisation des Lichtes wird die Reflexion des Teilstrahls an der teilenden Vorrichtung erhöht, so daß mehr Lichtenergie in die zu messende Faser geleitet wird, und-somit auch das wieder aus der zu messenden Faser austretende Lichtsignal stärker ist und somit dessen Messung erleichtert wird.
Zum T)urchfilhren des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Fehlerortsbestimmung wird vorteilhafter Weise eine Vorrichtung verwendet, die aus einem als Lichtquelle dienenden Laser besteht, vor dem in zu e einem einem Winkel von 450 zur Lichtausbreitungsrichtung ein teildurchlässiger Spiegel z.B. eine planparallele Glasplatte und dem Laser gegenüber hinter dieser ein Spiegel angeordnet ist, und in Reflexionsrichtung im Strahlengang des reflektierten Teilstrahls eine Lichtleitfaser mit endseitigem Stecker zum Anschluß der zu messenden Lichtleitfaser oder des Faserkabels und in entgegengesetzter Richtung hinter dem teildurchlässigen Spiegel eine Empfangsvorrichtung angeordnet ist. Wie sich aus dem Aufbau dieser erfindungsgemäßen Meßvorrichtung ergibt, fällt demnach auf die Empfangsvorrichtung einmal das Licht, das am Spiegel reflektiert wird und der Lichtanteil, der über den Stecker in die Lichtleitfaser eingekoppelt und an der schadhaften Stelle reflektiert wird.
Erfindungsgemäß ist es weiterhin vorteilhaft, wenn zwischen dem Laser und dem teildurchlässigen Spiegel sowie zwischen diesem und der Lichtleitfaser und der Empfangsvorrichtung Fokussiereinrichtungen angeordnet sind, durch die das Licht gebUndelt wird und somit Streuungsverluste weitgehend vermieden-werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann es weiterhin vorteilhaft sein, wenn der Spiegel einen kleinen Reflexionsfaktor besitzt. Durchjdiese Maßnahme wird erreicht, daß der am Spiegel reflektierte Lichtanteil geschwächt wird, so daß der Unterschied in der Lichtintensität, das heißt in der Ampli tude der Liohtimpulse der beiden Teilstrahlen, nicht zu groß ist, wodurch eine Messung in der Empfangsvorrichtung der beiden Lichtimpulse erleichtert wird.
Weiterhin kann es erfindungsgemäß vorteilhaft sein, wenn am Anfang der-Lichtleitfaser ein Modenabstreifer angeordnet rist, so daß in die Faser nur solche Wellentypen eingekoppelt werden, bei denen die- FUhrung durch den Faserkern erfolgt, und somit die Einkopplung von Störmoden verhindert wird.
Damit bei der Messung der Laufzeitverschiebung der beiden Teilstrahlen nur-die Länge der zu messenden Lichtleitfager bis. zum Fehlerort berücksichtigt werden muß, ist es erfindungsgemäß weiterhin zweckmäßig, wenn der Strahlenweg zwischen dem teildur'chlässige,n Spiegel und, dem Spiegel und zwischen dem teildurchlässigen Spiegel und der endseitig den Stecker auSweisenden Lichtleitfaser gleich groß ist. Die erfindungsgemäß verwendete Empfangsvorrichtung kann vorteilhafterweise aus einer Fo-Fotodiode mit angeschlossenem Verstärker und .nachgeschaltetem- Oszillographen bestehen.
Anhand des in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher -erläutert. Es zeigen: Fig. 1 den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und Fig. 2 den Amplitudenverlauf der beiden in der Empfangsvorrichtung gemessenen Teilstrahlen.
Eine erfindungsgemäße Meßvorrichtung besteht aus einem Laser 1 mit möglichst starken und kurzen Impulsen, z,.B. aus einem Neodym-Laser. Das von diesem ausgestrahlte Licht wird zunächst in einer Fokussiereinrichtung 2 gebUndelt und fällt auf einen teildurchlässigen Spiegel, z.B'. eine planparallele Glasplatte 3, die um 450 gegen den einfallenden Lichtstrahl geneigt ist.
An dieser Glasplatte 3 wird der einfallenden Lichtstrahl geteilt in zwei Teilstrahlen, und zwar in einen der senkrecht zur Einfallsrichtung reflektiert wird und ebenfalls in einer Fokussiereinrichtung 4 gebUndelt und von dort in eine Lichtleitfaser' 5 mit endseitigem Stecker 6 geleitet wird. Am Beginn der Licht leitfaser 5 ist ein Modenabstreifer 7 vorgesehen, der die Ausbreitung von Störmoden verhindert. An den Stecker 6 ist das zu messende fehlerhafte optische Nachrichtenkabel oder die einzelne Lichtleitfaser 8 angeschlossen. Der andere Teilstrahl tritt unter Brechung aus der planparallelen Glasplatte 3 aus und fällt auf einen dem Laser 1 gegenüberliegenden Spiegel 9, der einen kleinen Reflexionsfaktor aufweisen soll. Am Spiegel 9 wird dieser Teilstrahl reflektiert und fällt wiederum auf die planparallele Glasplatte an der er senkrecht zur Einfallsebene reflektiert wird und auf eine Empfangsvorrichtung 10 fällt.
Diese besteht im dargestellten Beispiel aus einer Fokussiereinrichtung 11, einer Fotodiode 12 mit angeschlossenem Verstärker 13 und nachgeschaltetem Oscillographen 14; der in die fehlerharte Lichtleitfaser 8 gelenkte Teilstrahl wird an der Fehlerstelle zum Teil reflektiert und fällt nach Durchlaufen des Steckers 6, der Faser 5, der Glasplatte 3 ebenfalls auf die Empfangsvorrichtung 10. Aufgrund der in der Empfangsvorrichtung registrierten Laufzeitdifferenz zwischen den beiden Teilstrahlen kann leicht die Entfernung der Fehlerstelle in der Faser 8 berechnet werden. Wie sich aus dem nachstehenden Berechnungsbeispiel ergibt: Wird von einem Brechungsindex von n = 1,5 für die Glasplatte ausgegangen, so ergibt sich für die reflektierte Intensität IR als Prozent der einfallenden Intensität mit Hilfe der Fresnelschen Formeln: a) Schwingungsebene des Lichtes senkrecht zur Einfallsebene: IR@=# # 2 b) Schwingungsebene des Lichtes parallel zur Einfallsebene: IR" = # # 2 , wobei = = Einfallswinkel in die Glasplatte (= 450) und ß = Winkel unter dem das Licht in der Platte gebrochen wird (ß = sin -1 ( sinnoc ) = 28,130), bedeuten.
Damit ergibt sich: IR = o,o9 und 1Rn = o,oi .
Im günstigeten Fall (Schwingungsebene des vom Laser 1 erzeugten Lichtes senkrecht zur Einfallsebene der Glasplatte 3) wird also ca. 9 % der Energie in die Faserrichtung reflektiert; die Verluste betragen 91 .

Im genannten System treten etwa folgende Verluste auf:

Ort der Verluste Größe der Verluste

(%) (db)

Glasplatte 91 10,5

Linsen 8 0,4

geschätzt für 3 Linsendurch- # 16 db

gänge bei optischer Vergütung

Einkoppelverluste in die 70 5,2

Faser

Stecker + Faser 40

für eine halbe Verstärker-

feldlänge , 57 db

Reflexion an defekter Stelle 98 17

Unter den obigen Voraussetzungen ergeben sich folgende Lichtleistungen, wenn davon ausgegangen wird, daß 1 W in die Faser 8 eingekoppelt werden kann, ohne daß sie zerstört wird: Ausgangsleistung des Lasers 1: 39 W Eingekoppelte Leistung in die Lichtleitraser 8: 1 W An der Empfangsvorrichtung noch ankommende Leistung: 2 /uW Die vorstehende Abschätzung zeigt, daß eine Fehlerortung auf diese Weise also möglich ist, da ein Lichtsignal von 2µW noch sicher nachgewiesen werden kann.

Bestimmt man den Laufzeitunterschied der beiden Teilstrahlen, dann läßt sich die Fehlerentfernung 5F bestimmen: @ tic + #.tc F - 2n - 2n Dabei bedeuten -t = Laufzeitdifferenz zwischen den beiden Teilstrahlen c = Lichtgeschwindigkeit n = Brechungsindex im Faserkern (effektiver Brechungsindex) = Impulsaufweitung des zweiten Teilstrahls aufgrund der Dispersion.
-Wie sich aus Fig. 2 ergibt, lässt sich z.B. auf dem Oszillographen die Laufzeitdifferenz ablesen und ebenfalls t abschätzen.
Unter der Annahme, daß der Lichtimpuls (Länge z.B. Ins) genügend steil ist und die Aufweitung des in die Faser elngekoppelten Teilstrahls ca. + lns beträgt, dann lässt sich-der Fehlerort auf #.t.c #SF = = # 10 m genau abschätzen.
2n

Claims

Patentansprüche: Verfahren zur Fehlerortsbestimmung in Lichtleitfasern oder Lichtleitfaserkabeln, d a d u r c h g e k e n n z e i c hn e t, daß ein von einer Lichtquelle, z.B. einem Laser (1) erzeugter Lichtimpuls derart geteilt wird, daß er teilweise in die zu messende Faser (8) eingekoppelt und teilweise auf einen Lichtempfänger (10) reflektiert wird, und der in die Faser (8) eingekoppelte Lichtanteil an der Fehlerstelle teilweise reflektiert und,,ebenalls auf. den Lichtempfänger (10) geleitet und die Laufzeitdifferenz der beiden Teilimpulse gemessen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d ur c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß das Licht des Lasers (1) senkrecht zur Einfallsebene einer das Laserlicht in die beiden Teilstrahlen teilenden Vhorrichtung (3) polarisiert ist.
3. Vorrtchtung zum Durchrühren des Verfahrens nach den AnsprU-chen 1 und 2, g e k e n n z e i, c h n e t durch einen als Lichtquelle dienenden Laser (1) vor dem in einem Winkel von 450 zur Lichtausbreitungsrichtung ein teildurchlässiger Spiegel, z.B. eine planparallele Glasplatte (3), und dem Laser (1) gegenüber hinter dieser ein Spiegel (9) angeordnet sind und in Reflektionsrichtung der Glasplatte (3) im Strahlengang des reflektierten Teilstrahls eine Lichtleitfaser (5) mit endseitigem Stecker (6) zum Anschluß der zu messenden Lichtleitfaser (8) und in entgegengesetzter Richtung hinter der Glasplatte (3) eine Empfangsvorrichtung (10) angeordnet ist.
4, Vorrichtung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß zwischen dem Laser (13 und der Glaplatte (3) sowie zwischen dieser und der Lichtleitfas.r (5) und der Empfangsvorrichtung (10) Fokussiereinrichtungen (2,4,11) angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß der Spiegel (8) einen kleinen Reflexionsfaktor besitzt.
6. Vorrichtung hach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 5, d a d u r c h g e k-e n n- z-e i c h n e t, daß am Anfang der Lichtleitfaser (5) ein Modenabstreifer ( 7) angeordnet ist
7. Vorrichtung nach ein-em oder mehreren der Ansprüche-3 bis 6, d a d ur c h g e k e n n z e'i c h n e t, daß der Strahlenweg zwischen der Glasplatte (3) und dem Spiegel (8) und zwischen der Glasplatte (3) und der endseitig den Stecker (6) aufweisenden Lichtleitfaser (5) gleich groß ist.
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Empfangsvörrichtung (10) aus einer Fotodiode (12) mit angeschlossenem Verstärker (13) und nachgeschalteten Oszillographen (14) besteht.

L e e r s e i t e