DE2852614B2

DE2852614B2 - Optisches Messystem zur Ermittlung der Lage einer lichtrelexionsstelle in einem optischen Übertragungsmedium

Info

Publication number: DE2852614B2
Application number: DE19782852614
Authority: DE
Inventors: Ichiro Kokubunji Tokio Ikushima; Minoru Maeda; Katsuyuki Nagano; Mitsuo Ohme Tokio Tanaka
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1977-12-05
Filing date: 1978-12-05
Publication date: 1980-01-31
Also published as: FR2410815A1; DE2852614A1; GB2011751A; NL7811878A; JPS5478156A

Description

Ein optisches Meßsystem zur Ermittlung der Lage einer Lichtrcflexionsstelle in einem optischen Übertragungsmedium ('er im Oberbegriff des Patentanspruchs I angegebenen Gattung ist aus der Deutschen Offenlegungssehrift Nr. 2457930 bekannt. Dort wird die Laufzeit eines Lichtimpulses vom Laser zur Reflexionsstelle (bei der es sich beispielsweise um eine Bruchstelle in einem Lichtleiter handelt) und zurück Mir Detektoreinrichtung gemessen.

Um genaue Messungen mit dem bekannten System zu gestatten, sind ein Gerät, das Lichtimpulse mit sehr kleiner Impulsbreite erzeugt, ein Breitbandverstärker sowie eine Einrichtung i!ur Messung der Laufzeit erforderlich. Insbesondere der Impulsgenerator und der Breitbandverstärker stellen aufwendige Schaltungseinrichtungen dar. Selbst bei aufwendiger Ausstattung des bekannten Meßsystems läßt sich jedoch die Messung nicht immer mit der gewünschten Genauigkeit durchführen, da der reflektierte Lichtimpuls in Abhängigkeit vom optischen Übertragungsmedium sowie in Abhängigkeit von der Entfernung (L;r Reflexionsstelle mehr oder weniger verschwommen wird.

ίο Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine genauere Messung der Lage der Lichtreflexionsstelle mit einem gleichzeitig weniger aufwendigen Meßsystem zu ermöglichen.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegeben. Danach wird die Tatsache ausgenutzt, daß der optische Strahl, der von dem mit Gleichstrom betriebenen Halbleiterlaser abgegeben wird, durch den reflektierten und wieder in den Halbleiterlaser gelangenden Lichtstrahl moduliert wird. Dieser modulierte Laserstrahl weist dabei eine Grundmodulations-Frequenzkomponente / auf, die der Gleichung genügt:

f=c/2nL;

2) wobei c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, η der Brechungsindex d~s optischen Übertragungsmediums und L der Abstand zwischen dem Laser und der Reflexionsstelle bedeuten. Der von dem Halbleiterlaser abgegebene Strahl hat daher in seinem Frequenzspektrum Maxima bei denjenigen Frequenzen, die ein ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz/ sind.
Die Spektren können dabei nicht nur anhand des von dem Halbleiterlaser abgegebenen optischen Ausgangsstrahls, sondern auch anhand des Stroms, mit ji dem der Halbleiterlaser betrieben wird, ermittelt werden.

Das erfindungsgemäße Meßsystem kommt ohne teuren Lichtimpuls-Generator und ohne Breitbandverstärker aus. Es läßt sich daher aus bekannten, einfachen Bauelementen ohne großen Aufwand herstellen. Ferner läßt sich die bei dem erfindungsgemäßen System durchgeführte Frequenzmessung wesentlich genauer vornehmen als die bekannte Laufzeitmessung, wobei unvermeidbare Intensitätsänderungen r> außerdem unschädlich sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt Fig. I das Blockschaltbild einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Meßsystems,
in Fig. 2 ein Frequenzspektrum des vom Halbleiterlaser abgegebenen Strahls, der mit dem reflektierten Strahl moduliert ist,

Fig. 3 Meßergebnisse, die mit der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform erhalten wurden,
r, Fig. 4 das Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Meßsystems,

Fig. 5 A und 5B Meßfühler, die bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform verwendet werden,
Mi Fig. 6 und 7 Blockschaltbilder weiterer Ausführungsformen des erfindungsemäßen optischen Meßsystems.

Fig. 1 zeigt in einem Blockschaltbild die Anordnung eines optischen Meßsystems, das zur Feststellung _h-, des Ortes verwendet wird, an dem eine optische Faser gebrochen ist.

Ein Hableiterlaser 2 wird mit einer Konstant-Gleichstromquelle 3 betrieben. Der Laserstrahl 2-1

des Laserstrahls fällt auf die Eingangsfläche einer zu niessenden optischen Faser 1 und der Laserstrahl 2-2 des Lasers fällt über einen Wellenleiter 7 mit Linsen und einem Dämpfungsglied auf einen Photodetektor 4. Der auf die Faser 1 auf treffende optische Strahl pflanzt sich in der Faser fort, ein Teil des Strahls wird nach rechts emittiert, und der andere Teil des Strahls wird an der Bruchstelle B oder an der Austrittsfläche reflektiert und gelangt zur Eingangsfläche der Faser in Form einer reflektierten Welle zurück.

Ein Teil der reflektierten Welle, die aus der Eingangsfläche der Faser austritt, trifft auf die aktive Schicht des Halbleiterlesers 2 auf. Der andere Teil der reflektierten Welle wird an der Eingangsfläche der Faser reflektiert und pflanzt sich wieder nach rechts fort. Diese Vorgänge wiederholen sich. Bei dem zuvor beschriebenen Phänomen wird der vom Halbleiterlaser abgegebene Strahl durch den reflektierten Strahl, der auf die aktive Schicht des Lasers fällt, beeinflußt, oder anders ausgedrückt, der Laserstrahl wird durch den reflektierten Strahl moduliert.

Das Spektrum des vom Halbleiterlasers abgegebenen Strahls weist Spitzen bei Frequenzen auf, die ein ganzzahliges Vielfaches einer Frequenz/ sind (vgl. Fig. 2).

Der Photodetektor 4 setzt den einfallenden Strahl 2-2 in ein elektrisches Signal um. Dieses elektrische Signal enthält die natürlichen Spektralkomponenten wie in Fig. 2 und wird über einen Verstärker 8 einem Frequenzselektionsverstärker S zugeleitet. Der Verstärker 5 stellt die Grundfrequenz/ des Eingangssignals fest und berechnet die Länge L zwischen der Eingangsfläche der Faser 1 und der Bruchstelle in der Faser nach der obigen Gleichung.

Der Frequenzelektionsverstärker 5 ist an sich bekannt. Er umfaßt einen variablen Frequenzoszillator, eine Mischstufe, die das Ausgangssignal des Oszillators mit dem zu messenden Eingangssignal mischt und ein Signal mit einer Differenzfrequenz zwischen den beiden Signalen erzeugt, sowie einen schmalbandigen Verstärker, der aus dem Signal, das die Differenzfrequenz aufweist, ein Ausgangssignal erzeugt.

Der Frequenzselektionsverstärker 5 kann durch einen Spektrumanalysator ersetzt werden, der als Anordnung zur Ermittlung des Spektrums eines Signals an sich bekannt ist. Wenn die Frequenzskala des Frequenzselektionsverstärkers oder des Spektrum-Analysators durch eine Längenskala ersetzt wird, kann die zu messende Länge direkt abgelesen werden.

Das Eingangssignal des Verstärkers 5 kann auch aus dem Versorgungs-Vorstrom für den Halbleiterlaser 2 erhalten werden, wie dies im weiteren noch beschrieben wird.

Fig. 3 zeigt eine mit dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel durchgeführte Messung und den Zusammenhang zwischen der Grundfrequenz des Halbleiterlasers und der zu messenden Faserlänge.

In Fig. 3 ist auf der Abszisse die Faserlänge in logarithmischem Maßstab und auf der Ordinate die Grundfrequenz in logarithmischem Maßstab aufgetragen. Aus den in Fig. 3 eingezeichneten Meßergebnissen ist zu ersehen, daß die Länge einer optischen Faser oder die Lage einer Bruchstelle in einer optischen Faser in einem Längenbereich von einigen Zentimetern bis mehreren Kilometern mit dem hier beschriebenen optischen Meßsystem genau gemessen

ίο werden kann.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wir-d die durch den reflektierten Strahl beeinflußte, modulierte Frequenz mit einer Photodiode 4 detektiert. Die modulierte Frequenz kann jedoch auch mittels des zum Betreiben des Halbleiterlasers erforderlichen Stromes detektiert werden.

Bei dieser Ausführungsform nach Fig. 4 ist ein Strommeßfühler 6 vorgesehen, der die Frequenzkomponenten oder den Wechselstrom, der einem Vorstrom überlagert ist, feststelL

Der Strommeßfühler 6 ist in der in Fig. 5 A dargestellten Weise ausgebildet. Der Fühler besteht aus einer auf einen kleinen magnetischen Kopf 11 gewickelten Spule 10. Eine Anschlußleitung 12 läuft durch den Magnetkern 11 und führt den Vorstrom für den Halbleiterlaser. Das heißt, der Strommeßfühler 6 ist sozusagen ein Transformator. Der Strommeßfühler kann jedoch auch lediglich ein Widerstand 13 sein, wie dies in Fig. 5B dargestellt ist. Die modulierte Frequenz kann durch Messen der Anschlußspannung am Widerstand 13 ermittelt werden.

Bei der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform trifft ein optischer Strahl 2-1 nach Durchgang durch eine Kollimatorlinse 14 auf ein zu messendes Hindernis

)5 17 auf. Ein Teil des ieflektierten optischen Strahls gelangt vom Hindernis 17 durch die Linse 14, einen halbdurchlässigen Spiegel 16, eine Linse 15 auf einen Photodetektor 4. Diese Ausführungsform isl bei einem Hindernis- bzw. Zielfeststellsystem verwendbar.

Fig. 7 zeigt das Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform des optischen Meßsystems, bei dem ein Laserausgangssignal über mehrere Wellenleiter /,, /, und /j zu mehreren Reflektoren 18-1 18-2 und 18-3 geführt wird.

j Die Längen der Wellenleiter sind voneinander verschieden. Daher wird der Halbleiterlaser durch die unterschiedlich reflektierten Wellen moduliert, und es werden unterschiedliche Frequenzen der Grundfrequenzen im optischen Ausgangsstrahl des Halbleiter-

>o lasers erzeugt. Dps optische Ausgangssignal wird rr.it der Photodiode in ein elektrisches Signal umgesetzt, das dann über mehrers Bandpaßfilter 20-1, 20-2 und ΊΟ-Γ tu Detektoren 19-1, 19-2 und 19-3 gelangt.

Diese zuletzt beschriebene Ausführungsform kann

-,-, daher vorteilhaft bei Meßsystemen verwendet werden, die die Zustände mehrerer Lagen, die binäre Zustände einnehmen können, messen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Optisches Meßsystem zui Ermittlung der Lage einer Lichtreflexionsstelle in einem optischen Übertragungsmedium mit einem von einer Gleichstromquelle betriebenen Halbleiterlaser, optischen Verbindungseinrichtungen, die den vom Halbleiterlaser abgegebenen Strahl dem optischen Übertragungsmedium zuleiten und den im optischen Übertragungsmedium reflektierten Strahl optisch mit dem Halbleiterlaser verbinden, sowie einer Detektoreinrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Signals, das dem vom Halbleiterlaser nach Empfang des im optischen Übertragungsmedium reflektierten Strahls abgegebenen Strahl proportional ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterlaser (2) kontinuierlich arbeitend ausgebildet ist und daß ein an die Detektoreinrichturtg (4:6) angeschlossener Analysator (5) vorgesehen ist, der die Grundfrequenz (/) im Frequenzspektrum des durch den im optischen Übertragungsmedium (1) reflektierten Strahl im Halbleiterlaser (2) modulierten Laserstrahls als Maß für den Abstand zwischen dem Laser (2) und der Reflexionsstelle im optischen Übertragungsmedium (1) feststellt.

2. Optisches Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Übertragungsmedii'm (1) eine optische Faser ist.

3. Optiscnes Meßsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung aus einem Fhotodetektor (4) besteht.

4. Optisches Meßsystem n* h Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (6) den Wechselstrom feststellt, der dem Treiberstrom des Halbleiterlasers (2) überlagert ist {Fig. 4).

5. Optisches Meßsystem nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung aus einem Strommeßf ühler (6) besteht, der an einer Leitung angebracht ist, über die der Halbleiterlaser (2) mit einem Vorstrom versorgt wird (Fig. 4, 5 A, 5B).

6. Optisches Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Übertragungsmedium Luft ist und die optischen Verbindungseinrichtungen aus wenigstens einer Kollimatorlinse (14) bestehen (Fig. 6).