DE4009160A1 - Optische messanordnung fuer lichtwellenleiter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Meßanordnung für Lichtwellenleiter gemäß der Gattung des Hauptanspruchs.

Meßgeräte für die Lichtwellenleitertechnik besitzen im allgemeinen eine optische Steckerverbindung als Eingang, wenn das Gerät ein Empfänger ist, oder als Ausgang, wenn das Gerät einen Sender darstellt. In optischen Nachrichtenübertragungsstrecken werden ebenfalls Steckverbindungen verwendet, wobei hier die Kopplung zweier Lichtwellenleiter eine möglichst geringe Dämpfung aufweisen soll, um die Verluste auf der Strecke klein zu halten. Wechselnde Ankopplungen sind selten, so daß die Reproduzierbarkeit einer solchen optischen Steckverbindung innerhalb der Nachrichtenübertragungsstrecke kein wesentliches Kriterium darstellt.

In der optischen Meßtechnik liegen dagegen die Verhältnisse anders. Eine geringe optische Übergangsdämpfung ist zwar wünschenswert, weil sie die Meßdynamik vergrößert, jedoch wird hier auf eine möglichst gute Reproduzierbarkeit besonderer Wert gelegt. Zum einen, weil das extern an das Meßgerät angeschlossene Lichtwellenleiterkabel häufig gewechselt wird, zum anderen, weil unterschiedliche optische Fasern an das gleiche Meßgerät angeschlossen werden. Die Fasern können beispielsweise bezüglich ihres Kerndurchmessers und ihrer numerischen Apertur variieren. Selbst im Bereich der wohl künftig überwiegend verwendeten Einmodenfasern gibt es unterschiedliche Faserstandards mit beispielsweise Felddurchmessern von 9 µm und 10 µm.

Weicht nun die geräteinterne Faser beispielsweise bezüglich ihres Durchmessers von der extern angeschlossenen Faser ab oder treten in der Steckverbindung Dejustierungen bezüglich der beiden aufeinandertreffenden Lichtwellenleiter auf, so ergeben sich Verluste im Bereich einiger 0,1 dB, so daß eine genau definierte, in den externen Lichtwellenleiter eingekoppelte Leistung nicht mehr erreichbar ist. Bei den bekannten optischen Meßgeräten für Nachrichtenübertragungsstrecken mit Lichtwellenleitern überwiegen die Steckerübergangsfehler sämtliche andere Gerätefehleranteile.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Meßanordnung mit einem Meßgerät für Lichtwellenleiter zu schaffen, dessen Meßgeräteanschluß eine möglichst geringe Empfindlichkeit bezüglich Fehlanpassungen aufweist.

Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch angegebenen Merkmale erhalten. Durch die bewußte Fehlanpassung im Bereich des Meßausgangs bzw. Meßeingangs des Meßgeräts erhält man zwar eine höhere Grunddämpfung des Faserübergangs am jeweiligen Meßgeräteanschluß, jedoch wird eine wesentlich bessere Reproduzierbarkeit erzielt. Dies bedeutet, daß bei Anschluß unterschiedlicher externer Lichtwellenleiterkabel, die unterschiedliche Toleranzen aufweisen, nur verhältnismäßig geringe Meßsignaländerungen entstehen. Im Bereich der Meßeingänge bzw. Meßausgänge können prinzipiell folgende vier Fälle auftreten:

Fall A) Der interne Lichtwellenleiter ist als Einmodenfaser (EMF) ausgebildet, wobei der externe Lichtwellenleiter ebenfalls als Einmodenfaser ausgebildet ist. In diesem Fall wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die internen Feldgrößen größer zu wählen als die Feldgrößen der externen Faser.

Fall B) Der interne Lichtwellenleiter ist als Mehrmodenfaser (MMF) ausgebildet, wobei der externe Lichtwellenleiter ebenfalls als Mehrmodenfaser ausgebildet ist. In diesem Fall wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Feldgrößen intern kleiner zu wählen als die externen Feldgrößen.

Fall C) Der interne Lichtwellenleiter ist als Einmodenfaser ausgebildet, wobei der externe Lichtwellenleiter als Mehrmodenfaser ausgebildet ist. Die internen Feldgrößen sind in diesem Fall per definitionem kleiner als die externen Feldgrößen.

Fall D) Der interne Lichtwellenleiter ist als Mehrmodenfaser ausgebildet, wobei der externe Lichtwellenleiter als Einmodenfaser ausgebildet ist. In diesem Fall sind die internen Feldgrößen stets größer als die externen Feldgrößen.

Als Feldgröße ist im Fall der Einmodenfaser der Feldradius zu verstehen, wobei im Fall der Mehrmodenfaser der Kernradius und die numerische Apertur die Feldgrößen bilden.

In den Fällen A) und B) wird eine bewußte Fehlanpassung vorgenommen. Wenn im Fall A) der interne Feldradius größer als der externe Feldradius gewählt wird, bedeutet dies, daß der Einfluß der Kopplungsunsicherheit von etwa 0,5 dB auf 0,33 dB bei einer typischen Steckerverbindung sinkt.

Im Fall B) ist es günstig, den Kernradius und die numerische Apertur der internen Faser kleiner zu wählen als die entsprechenden Werte der externen Faser. Werden die Werte um 30% kleiner gewählt, so kann von einer "70%-Ankopplung" gesprochen werden, wodurch man den zusätzlichen Vorteil einer angenäherten Gleichgewichtsanregung gewinnt. In diesem Fall wird der Einfluß der Kopplungsunsicherheit von 0,29 dB auf 0,02 dB reduziert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Meßanordnung mit einem Meßsender und einem Meßempfänger,

Fig. 2 den Verlauf der Kopplungsdämpfung von Einmodenfasern in Abhängigkeit vom Radialversatz für unterschiedliche Anpassungen,

Fig. 3 Kopplungsdämpfung von Einmodenfasern in Abhängigkeit von Schwankungen des Feldradius der externen Faser und

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel mit optisch erweiterten Feldgrößen.

Die in Fig. 1 dargestellte Meßanordnung besteht aus einem Meßsender 1, einem Meßempfänger 2 und einem externen Lichtwellenleiter 3, der über einen Meßausgang 4 und einen Meßeingang 5 an interne Lichtwellenleiter 6, 7 angeschlossen ist. Der Meßsender 1 mit Lichtwellenleiter 6 und der Meßempfänger 2 mit Lichtwellenleiter 7 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel zu einem Meßgerät 8 zusammengefaßt, jedoch werden häufig Meßsender und Meßempfänger an unterschiedlichen Orten als separate Meßgeräte verwendet.

Der externe Lichtwellenleiter 3 gehört zu einem nicht näher dargestellten optischen Nachrichtenübertragungssystem 9, welches Verstärker und weitere hier nicht dargestellte Einrichtungen umfassen kann.

Mit dem Meßgerät 8 kann vom Meßsender 1 ein Meßsignal über den als Steckverbindung ausgebildeten Meßausgang 4 in den Lichtwellenleiter 3 eingespeist werden. Der Meßempfänger 2 empfängt dieses Meßsignal über den ebenfalls als Steckverbindung ausgebildeten Meßeingang 5. Anhand von Pegelabweichungen zwischen gesendetem und empfangenem Meßsignal wird beispielsweise die Dämpfung der gesamten Übertragungsstrecke ermittelt. Damit diese Messungen auch beim Anschluß anderer externer Lichtwellenleiter reproduzierbar ausgeführt werden können, sollte an den beiden Steckverbindungen des Meßausgangs 4 und des Meßeingangs 5 möglichst stets die gleiche Übergangsdämpfung auftreten. Dabei ist es von untergeordneter Bedeutung, ob diese Grunddämpfung kleiner oder größer ist, jedoch sollte sie möglichst immer gleich sein, und zwar unabhängig von dem jeweils angeschlossenen externen Lichtwellenleiter.

A) Kopplung zu einer externen Standard-Einmodenfaser

Der Wirkungsgrad einer Verbindung zweier unterschiedlicher Einmodenfasern beträgt

mit: d = Radialversatz der beiden Fasern

l₁ = Feldradius der geräteinternen Faser,
ω₂ = Feldradius der externen Faser.

Als Literaturstelle kann hierzu das Fachbuch "Lichtwellenleiter für die optische Nachrichtenübertragung", S. Geckeler, Springer-Verlag, 1986, Seite 111, angegeben werden.

Aus der Gleichung (1) erhält man folgende relative Änderung der Kopplungsdämpfung bei Radialversatz d:

Diese Funktion ist in Fig. 2 graphisch dargestellt. Die Kurvenschar in Fig. 2 zeigt, daß bei größer gewähltem k die Empfindlichkeit gegen Radialversatz deutlich abnimmt. Es erhöht sich jedoch die Empfindlichkeit gegenüber Schwankungen des Feldradius und der externen Faser. Eine Modifikation der Gleichung 1 mit Ersatz von ω₂ durch xω₂ liefert folgende relative Pegeländerung bei Variation des äußeren Feldradius:

Die graphische Darstellung dieser Funktion ist in Fig. 3 für unterschiedliche Werte von k angegeben.

Man erkennt aus Fig. 2, daß die relativen Pegeländerungen mit steigendem internen Feldradius abnehmen. Günstig ist es also, den geräteinternen Feldradius groß zu wählen, wobei die erzielte Verbesserung in erster Näherung mit dem Quadrat der Feldradienverhältnisse k ansteigt.

Für typische Stecker betragen die Unsicherheiten ca. 1,5 µm, die sich aus 1 µm Spiel und 0,5 µm Fasersteckerzentrierung zusammensetzen. Damit erhält man eine Einfügedämpfung von ca. 0,5 dB. Verdoppelt man den Feldradius der geräteinternen Faser 6, 7, so wird k=2, und die Durchgangsdämpfung sinkt auf ca. 0,2 dB. Allerdings bekommt man in diesem Fall erhebliche Pegeländerungen durch Schwankungen des Feldradius der externen Faser (Fig. 3, k=2). Für typische Schwankungen der Feldradien um 5% erhält man einen Beitrag von ca. 0,25 dB.

Eine Optimierung liegt vor, wenn beide Beiträge, d. h. die Änderung der Durchgangsdämpfung verursacht durch Radialversatz und die Feldradienschwankung betragsmäßig gleich sind. Dann wird bei der üblichen quadratischen Fehleraddition der Gesamtfehler minimal. Dieser Fall ist für die angegebenen Abweichungen gerade bei k=2 erreicht; der Gesamtfehler beträgt hier ca. 0,33 dB, gegenüber 0,5 dB im angepaßten Fall.

Eine Vergrößerung des internen Feldradius kann auch dadurch erreicht werden, daß zwischen zwei gleiche Fasern ein Abstand eingebaut wird. Aufgrund der gaußförmigen Abstrahlcharakteristik einer Einmodenfaser gilt für den Feldradius als Funktion der Entfernung vom Faserende:

Soll der interne Feldradius also doppelt so groß sein wie der externe (k=2), erhält man folgende Bedingung:

und daraus den benötigten Abstand z:

Bei einem Feldradius von ω₂=5 µm und einer Wellenlänge von λ=1,3 µm würde man einen Abstand wählen von:

z′ = 105 µm.

Eine andere Möglichkeit der Strahlaufweitung besteht in der Verwendung von optischen Abbildungselementen (Linsen, Taper).

In Fig. 4 ist ein Übergang zwischen einem internen Lichtwellenleiter 6 und einem externen Lichtwellenleiter 3 dargestellt, bei dem die Faserenden 10, 11 mittels eines ringförmigen Distanzelements 12 auf Distanz gehalten werden. Die interne Faser 16 hat den gleichen Durchmesser wie die externe Faser 13. Am Faserende 10 tritt jedoch das Licht mit einem sich erweiternden Feldradius aus, dessen Verlauf durch unterbrochene Linien 14 dargestellt ist. Diese optische Vergrößerung des Feldradius kann auch durch ein optisches Element erfolgen, welches zwischen die Faserenden eingefügt wird.

B) Kopplung zu einer Mehrmodenfaser

Als Beispiel wird die Kopplung mit einer gebräuchlichen Telecomfaser untersucht, die eine numerische Apertur von 0,2 und ein Gradientenindexprofil (50/125 µm) aufweist.

Der Koppelwirkungsgrad ergibt sich näherungsweise bei einer derartigen Mehrmodenfaser bei angepaßten Kernradien a:

mit:

n_x = Koppelwirkungsgrad.

Daraus erhält man für die relative Dämpfungsänderung

Die bevorzugte Lösung der Fehlanpassung arbeitet mit verkleinerten Werten der internen Faserparameter, d. h. verringerter Fläche im Phasenraumdiagramm. Eine mögliche, jedoch nicht hierauf beschränkte Dimensionierung ergibt sich durch Anwendung der 70%-Einkopplung:

mit:

NA₁ = numerische Apertur der internen Faser.

Die geräteinterne Faser ist als Stufenindexfaser ausgebildet. Somit erhält man für den Koppelwirkungsgrad:

Für die relative Dämpfungsänderung ergibt sich:

Bei einem Radialversatz von 10% des Kernradius, entsprechend 2,5 µm bei einer 50-µm-Faser, ändern sich die Dämpfungen wie folgt:

0,29 dB im angepaßten Fall (Stand der Technik),
0,02 dB im Fall der bewußten Fehlanpassung gemäß vorliegender Erfindung.

Die Ausbildung der geräteinternen Faser als Stufenindexfaser bringt zusätzlich Vorteile bei der Ankopplung an eine externe Einmodenfaser, die dann allerdings übererregt wird. Eine Verwendung von nach dem Innenbeschichtungsverfahren hergestellten Fasern ist dabei jedoch nicht erstrebenswert, da der zentrale Brechzahleinbruch genau im Bereich des Kopplungsübergangs zur Einmodenfaser liegt und sich somit störend auswirkt. Deshalb wird bei Ankopplung an eine Einmodenfaser eine interne Stufenindexfaser ohne den zentralen Brechzahleneinbruch vorgesehen.

Claims (8)

1. Optische Meßanordnung für Lichtwellenleiter mit einem Meßgerät, an dessen Meßausgang oder Meßeingang ein externer Lichtwellenleiter mit einem Kernradius r₂ angeschlossen ist und dessen Meßausgang bzw. Meßeingang intern über einen internen Lichtwellenleiter mit einem Meßsender bzw. Meßempfänger verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der interne Lichtwellenleiter (6; 7) eine gegenüber dem externen Lichtwellenleiter (3) deutlich abweichende Feldgröße hat.

2. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der interne Lichtwellenleiter (6; 7) als Stufenindexfaser ausgebildet ist.

3. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem als Einmodenfaser ausgebildeten externen Lichtwellenleiter (3) der Felddurchmesser r₂ am jeweiligen Meßausgang (4) oder Meßeingang (5) in der optischen Übertragungsrichtung vom größeren Felddurchmesser auf einen kleineren Felddurchmesser übergeht.

4. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem als Mehrmodenfaser ausgebildeten externen Lichtwellenleiter (3) die Feldgrößen - Kerndurchmesser und numerische Apertur - am jeweiligen Meßausgang (4) oder Meßeingang (5) in der optischen Übertragungsrichtung von einem kleineren zu einem größeren Wert übergehen.

5. Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Meßausgang (4) und/oder Meßeingang (5) die aneinandergrenzenden internen und externen Lichtwellenleiter (6, 7; 3) die Feldgrößen Kerndurchmesser und/oder numerische Apertur um 20% bis 50%, vorzugsweise um 30% voneinander abweichen.

6. Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der interne Lichtwellenleiter (6; 7) nach dem an sich bekannten Außenbeschichtungsverfahren hergestellt ist und somit keinen zentralen Brechzahleinbruch aufweist.

7. Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein vergrößerter interner Feldradius durch einen Abstand der Faserenden von internem und externem Lichtwellenleiter (6, 7; 3) erzeugt wird.

8. Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Übergang zwischen internem und externem Lichtwellenleiter ein abbildendes optisches Element zur Strahlaufweitung angeordnet ist.