DE3643696A1 - Mess- und steuersystem fuer ein lichtwellenleiter-spleissgeraet - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Meß- und Steuersystem für ein Lichtwellenleiter-Spleißgerät, mit einem faser­ optischen Koppler zur Erfassung des von einem ersten Lichtwellenleiter (LWL) in einen zweiten LWL übergehenden Lichtanteils, mit einer elektronischen Auswertschaltung, einer Anzeigevorrichtung und einer Rechnersteuerung sowie mit einer Spleißvorrichtung und einer Positionierungs­ einheit.

Eine Anordnung der eingangs genannten Art ist durch die DE-OS 35 15 195 bekannt. Dabei werden mehrere faser­ optische Biegekoppler verwendet, welche jeweils nur eine Faser aufnehmen. Eine genaue Angabe der tatsächlichen Spleißdämpfung in absoluten Werten, wie z. B. in dB, ist wegen der langfristig nicht genau reproduzierbaren Wirkungsgrade der getrennten Biegekoppler nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welcher die Dämpfungswerte einer hergestellten Spleißverbindung meßbar sind.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt dadurch, daß im faser­ optischen Koppler ein Durchlaß zur gleichzeitigen Aufnahme des ersten und des zweiten LWL sowie mindestens ein Detektor zur Erfassung des im Biegebereich beider LWL abgestrahlten Lichts vorgesehen sind.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im Anspruch 7 ist ein vorteilhaftes Verfahren zum Justieren einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und im Anspruch 8 ein vorteilhaftes Verfahren zur Überprüfung des für die Erfindung verwendeten Kopplers gekennzeichnet.

Kernstück des Anmeldungsgegenstandes bildet ein sogenannter faseroptischer Tandemkoppler, der die gleichzeitige Aufnahme von mindestens zwei LWL ermöglicht.

Unter Verwendung des faseroptischen Tandemkopplers wird eine Meß- und Steuersystem angegeben, welches einerseits die Positionierung der zu verbindenden Glasfasern derart steuern kann, daß die anschließend durchzuführende Spleißverbindung möglichst geringe Lichtverluste aufweist, und andererseits eine exakte Bestimmung der Spleißdämpfung unmittelbar nach der Durchführung der unlösbaren Faserverbindung ermöglicht.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen faseroptischen Tandemkoppler.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild des Meß- und Steuersystems.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des faseroptischen Tandemkopplers.

Fig. 4 zeigt ein modifiziertes Meß- und Steuersystem.

Fig. 5 zeigt eine Einrichtung zur Kontrolle der Qualität der geschlossenen Kugel und zur Kontrolle der Reproduzierbarkeit der Faserbiegungen.

In Fig. 1 ist ein faseroptischer Tandemkoppler 1 dargestellt, mit welchem zwei LWL gleichzeitig durch entsprechende Biegung zur Abstrahlung gebracht werden.

Der erfindungsgemäße Tandemkoppler 1 besteht aus einem zweiteiligen Körper 3 a und 3 b, welcher wiederum in einem zweiteiligen nichttransparenten Schutzkörper 2 a und 2 b gelagert wird. Der Körper 3 ist vorzugsweise aus einem optisch homogenen streuungsfreien und klaren Material, wie z. B. Acrylglas. Er besteht aus zwei aufeinanderpassenden ungleichen Kugelhälften 3 a und 3 b derart, daß er von außen kugelförmig erscheint und von einem Durchlaß 5 durchdrungen ist.

Außerhalb des Bereichs des Kanals 5 berühren sich beide Kugelhälften 3 a und 3 b mit vorzugsweise polierten Kontaktflächen. Der Durchlaß 5 ist so ausgebildet, daß in ihm zwei LWL I und II definiert aufgenommen werden können. Im Bereich B, der ausreichend scharf ist, werden beide LWL I und II so stark gebogen, daß es dort gelingt, Licht aus den LWL I und II auszukoppeln.

Der Körper 3 ist an seiner Oberfläche mit einer diffus und hoch reflektierenden Schicht 4 a und 4 b, z. B. einer Goldschicht, beschichtet, so daß er als strahlungsintegrierende Kugel (modifizierte Ulbricht-Kugel) funktionieren kann.

Die Kugelhälfte 3 b wird nach der Auftragung der Schicht 4 b in den Körperteil 2 b fest eingebaut, vorzugsweise eingeklebt. Anschließend wird eine Photodiode 9 in die Bohrung 8 gebracht. Im Bereich dieser Bohrung ist die Schicht 4 b entfernt, so daß dadurch ein "Fenster" in der Kugel für den Detektor 9 entsteht. Somit kann der Photodetektor 9 die aus den LWL I und II in alle Richtungen abgestrahlten Lichtsignale empfangen.

Dabei wird das an sich bekannte Prinzip der Mehrfach­ reflexion in einer strahlungsintegrierenden Kugel ausge­ nutzt. Außerdem wird vorzugsweise auch eine weitere teil­ weise konische Öffnung 10 durch die Teile 2 b, 3 b und 4 b angefertigt, die zur Aufnahme des Endes eines LWL I oder II dienen kann. Die Einführung der Faser erleichtert der konische Teil 11 der Öffnung 10. Normalerweise ist diese Öffnung 10 zur Verhinderung des Fremdlichteinfalls mit einer Vorrichtung 12 zugedeckt.

Die obere Kugelhälfte 3 a ist im Körperteil 2 a mit Hilfe einer Feder 7 und eines Halterings 6 federnd so gelagert, daß beim Zusammenklappen der oberen Kugelhälfte an die untere Kugelhälfte durch den leichten Federdruck immer ein konstanter Anpreßdruck zwischen den Teilen 3 a und 3 b herrscht und die in dem Durchlaß 5 sich befindlichen LWL definiert gelagert werden.

Die LWL I und II werden wie folgt in den Tandemkoppler eingelegt:

Zunächst wird der obere Teil des Kopplers, bestehend aus den Körperteilen 2 a und 3 a mit Hilfe einer peripheren Vorrichtung beispielsweise nach oben ausgeklappt. Nun werden beide LWL in den eingefrästen Durchlaßteil ein­ gelegt und dabei über den "Berg" des Bereichs B geführt. Danach werden die LWL im Randbereich des Tandemkopp­ lers 1 mit Hilfe eines Arretierungs- und Dichtungsringes 13 so gehalten, daß sie bei anschließendem Zuklappen der oberen Hälfte des Tandemkopplers 1 definiert im Durchlaß 5 liegen.

Die Funktion des Meß- und Steuersystems für LWL- Spleißgeräte zeigt die Fig. 2.

Zunächst muß wie allgemein bekannt Meßlicht in den licht­ zuführenden LWL I eingekoppelt werden.

Dies kann entweder über eine meist weit vom Spleißort entfernte Glasfaser-Stirnflächen-Ankopplung geschehen, oder besser mit Hilfe eines einfachen Biegekopplers der eingangs beschriebenen Art. Die Intensität des Meßlichtes muß zunächst nicht bekannt sein.

Dann werden beide LWL I und II in den faseroptischen Tandemkoppler eingeführt, wobei vorzugsweise darauf zu achten ist, daß zwischen den Enden 14 und 15 beider zu verbindenden LWL und dem Koppler 1 ca. 0,5 bis 1,0 m Abstand gegeben ist, damit eventuell im Koppler 1 in den LWL I und II angeregte Mantelmoden auf dieser Strecke abgestrahlt werden.

Die Faserenden stehen sich zunächst noch nicht im Spleiß­ raum SR gegenüber.

Wenn der LWL I eine Lichtwelle führt, wird auf Grund der Biegung in 1 ein Teil des Lichtes aus dem LWL I ausge­ koppelt. Die Diode 9 detektiert ein Signal S 1. Dieses Signal wird einer elektronischen Auswertschaltung AS zugeführt, die vorzugsweise mit einem Rechner RS gesteuert und unter Berücksichtigung des Koppelfaktors des Kopp­ lers 1 direkt die Lichtleistung im LWL I anzeigen kann. Nun werden beide Faserenden 14 und 15 in bekannter Weise im Spleißraum koaxial zueinander grob ausgerichtet. Das aus dem LWL I austretende Licht erreicht mehr oder weniger den LWL II, so daß die Diode 9 im Koppler 1 mehr oder weniger Licht detektiert. Das Ausgangssignal S des Detektors 9 steigt beim nachfolgenden Positionierungs­ vorgang an, wobei dieses Signal über die Auswertschaltung solange die Positionierungseinheit PE (vorzugsweise Servomotoren oder Piezostellblöcke) in drei Ebenen automatisch iterativ solange steuert, bis das Signal S einen maximalen Wert S 2 einnimmt.

Nun ist eine optimale Lage beider Faserstirnflächen 14 und 15 gewährleistet, so daß mit dem eigentlichen Spleißvorgang begonnen werden kann.

Wie geschildert, werden bei der Positionierung der LWL I und II nur relative Änderungen des Signals S ausgewertet. S 2/S 1 zeigt die relative Änderung der Lichttransmission in Prozent an.

Ist zusätzlich eine Angabe der Signale S 1 und S 2 in Absolutwerten, z. B. in Volt, gewünscht (dies ist z. B. der Fall, wenn die Spleißdämpfung in dB angezeigt werden soll), empfiehlt sich erfindungsgemäß wie folgt vorzugehen:

Beide LWL I und II werden wie geschildert in den Koppler 1 eingeführt, der Detektor 9 liefert ein Signal S 1. Nun wird aber die Stirnfläche 14 der LWL I nach Öffnen der Abdeckvorrichtung 12 in die Öffnung 10 eingeführt, so daß das gesamte aus dem LWL I austretende Licht in den Koppler 1 abgestrahlt, an der Reflexionsschicht 4 a und 4 b aufintegriert wird und schließlich eine Zunahme der Beleuchtungsstärke an der Öffnung 8 bewirkt. Dadurch steigt bekanntlich das Signal S am Ausgang des Photodetektors 9 auf den Wert S 3. Da der Übertragungsfaktor der Kugelvorrichtung im Koppler 1 geeicht werden kann - er ist z. B. abhängig von der Kugelgröße, vom Kugelmaterial, vom Reflexionsfaktor der Schichten 4 a und 4 b und nicht zuletzt von der spektralen Empfindlichkeit des Photodetektors 9 - , kann S 3 direkt in mW optischer Leistung angegeben werden. Nun wird wie beschrieben positioniert. Aus dem Verhältnis S 3/S 1 bzw. S 3/S 2 kann die Lichttransmission von einer Faser I in die zweite Faser II über die Stirnflächen 13 und 14 jetzt auch absolut angegeben werden.

Nach dem nun anschließenden Spleißen ändert sich der Wert S 2 auf S 4, wobei im Normalfall S 4 größer als S 2 ist. Der dazugehörige Wert der Spleißdämpfung kann selbstverständlich nun an der Anzeige AZ angezeigt werden und falls gewünscht dokumentiert werden.

Die Fig. 3 zeigt schließlich ein weiteres mögliches Ausführungsbeispiel des faseroptischen Tandemkopplers. Hierbei wird nicht die Mehrfachreflexion in einer strahlungsintegrierenden Kugel ausgenutzt. Vielmehr werden nun mit Hilfe einer Fokussieroptik 17 aus beiden LWL I und II im scharfen Scheitel (Radius 300 µm) des Biegebereichs B austretenden Lichtanteile erfaßt und auf der aktiven Fläche des Photodetektors 9 abgebildet. Daraus ergibt sich zwangsläufig, daß in diesem Ausführungsbeispiel nur das Unterteil 16 b der Koppelvorrichtung lichtdurchlässig sein muß. Das Oberteil kann damit vorzugsweise aus einem Lichtmetallblock angefertigt werden. Es ist allerdings darauf zu achten, daß beide LWL I und II immer Licht aus nur einer Richtung führen, in dem in Fig. 3 gezeigten Fall von links nach rechts. Obwohl durch die Konstruktionsmerkmale des Kopplers 1 eine optimale Reproduzierfähigkeit erzielt wird, kann doch nicht ausgeschlossen werden, daß der Koppler 1 durch häufigen Gebrauch verschmutzt wird und so eine optimale Eichung nicht in allen Fällen gewährleistet ist. In Fig. 4 ist nun ein modifiziertes Meß- und Steuersystem angegeben, welches zur Absolutangabe der erzielten Spleißdämpfung nur das konstante Verhältnis der Auskopplungsfaktoren X 1/X 2 der LWL I und II erfordert. Außerdem muß zur Absoluteichung nicht mehr das freie Ende 14 des LWL I in Öffnung 10 eingeführt werden, was erfindungsgemäß vorteilhaft in der Praxis einen zusätzlichen Handgriff erspart und es außerdem ermöglicht, den Koppler 1 sehr nahe am Spleißraum SR zu plazieren.

Die vom Detektor 9 abweichend gemessenen Lichtleistungen auf Grund verschmutzter Kugelhälften-Kontaktflächen oder gleichmäßig veränderten Koppelfaktoren X 1 und X 2 spielen hierbei keine Rolle, solange der Kugelübertragungsfaktor zusammen mit der Detektorcharakteristik linear bleibt. Das Meßprinzip ist wie folgt:

Es werden nur zwei Lichtleistungs-Einkoppelvorrichtungen benötigt, wobei eine von ihnen in den LWL I die unbekannte Lichtleistung PE 1 und die andere in den LWL II die unbekannte Lichtleistung PE 2 einkoppelt. Im Meßfall a) sind beide LWL I und II im Spleißraum SR befestigt und stark gegeneinander verschoben, so daß keine Lichttransmission von einem LWL auf der anderen stattfinden kann. Der Transmissionswirkungsgrad ist XV = 0. Die Diode 9 mißt im Fall 1 (PE 1 = maximal, PE 2 = 0) das Signal S 5, im Fall 2 (PE 1 = 0, PE 2 = maximal) das Signal S 6. Nun werden beide LWL I und II wie vorher beschrieben mit dem Meß- und Steuersystem optimal zueinander positioniert und so Meßfall b) eingestellt. Dem Transmissionswirkungsgrad XV entspricht nun die "Trocken"-Kopplung der beiden LWL I und II. Im Fall 1 (PE 1 = maximal, PE 2 = 0) mißt die Diode 9 das Signal S 7, im Fall 2 (PE 1 = 0, PE 2 = maximal) das Signal S 8. Bei bekanntem Koppelverhältnis K = X 1/X 2 erhält man nun:

X 2 = (S 7 × S 5 - K × K × S 6 × S 8)/ (K × S 7 × S 5 - K × K × S 6 × S 8)

X 1 = K × X 2

XV = 1 - X 2/X 1 × S 7/S 6 × 1/(1 - X 2)

Der Fall K = 1 muß hierbei konstruktiv vermieden werden. Nach der Spleißung werden die neuen Werte (S 7) und (S 8) ermittelt und damit die endgültig erzielte absolute Spleißdämpfung.

Die Rechnersteuerung RS übernimmt hierbei die Speicherung der Meßwerte S 5 - S 8 und die anschließende Auswertung der Formeln. Um eine aussagekräftige Kontrolle der Qualität des Kopplers 1 hinsichtlich Verschmutzung und Dejustage der Kugelhälften einerseits und Reproduzierbarkeit der Faserbiegungen und damit der Auskoppelfaktoren X 1 und X 2 der LWL I und II andererseits zu ermöglichen, zeigt Fig. 5 eine mögliche bevorzugte Meßeinrichtung.

Hierbei werden zwei Regelkreise konstanter Lichtleistung aufgebaut, bestehend einerseits aus Sendediode 20, LWL III, Empfangsdiode 21 und Regelschaltung RS 2 und andererseits aus Sendediode 18, LWL IV, Empfangsdiode 19 und Regelschaltung RS 1. Die Regelschaltung RS 1 und RS 2 erzwingen eine konstante Lichtleistung vorzugsweise bekannter Größe in den LWL III und IV.

Der LWL IV ist in einer festen Biegung in der Kontur B vorzugsweise eingeklebt, der LWL III hingegen in den Kopp­ ler 1 eingelegt.

Bei einwandfreiem Zustand und optimaler Justage des Kopplers 1 werden nacheinander mit Hilfe der Diode 9 Signale S 9 (alleinige Abstrahlung des LWL III) und S 10 (alleinige Abstrahlung des LWL IV) ermittelt und im Rechnersystem RS abgelegt. Spätere Änderungen im Signal S 9 sind nun ein Maß für Änderungen der Faserbiegungen, spätere Änderung im Signal S 10 ein Maß für Verschmutzung und Dejustage des Kopplers 1. Eine entsprechende Auswertung der Signale S 9 und S 10 mit Hilfe des Rechnersystems RS und entsprechendem Korrekturalgorithmus führt zur Nacheichung des Koppelverhältnisses K = X 1/X 2 und damit zur Nachkorrektur der absoluten Spleißdämpfungsmessung.

Claims (8)

1. Meß- und Steuersystem für ein Lichtwellenleiter-Spleißgerät, mit einem faseroptischen Koppler (1) zur Erfassung des von einem ersten LWL in einen zweiten LWL übergehenden Lichtanteils, mit einer elektronischen Auswertschaltung (AS), mit einer Anzeigevorrichtung (AZ) und einer Rechnersteuerung (RS) sowie mit einer Spleißvorrichtung (SR) und einer Positionierungseinheit (PE), dadurch gekennzeichnet, daß im faseroptischen Koppler (1) ein Durchlaß (5) zur gleichzeitigen Aufnahme des ersten und des zweiten LWL sowie mindestens ein Detektor zur Erfassung des im Biegebereich (B) beider LWL abgestrahlten Lichts vorgesehen sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziger Detektor zur Erfassung des von jeder der LWL abgestrahlten Lichts vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Biegebereich (B) in einem kugelförmigen, aus zwei komplementären Teilen (3 a und 3 b) bestehenden Körper befindet, und daß der kugelförmige Körper (3 a) und (3 b) mit einer eine optische Integration der aus den LWL (I) und (II) austretenden Lichtanteile bewirkenden Reflexionsschicht (4 a und 4 b) beschichtet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Kugelhälfte (3 a) mittels einer Federvorrichtung (7) mit definiertem Anpreßdruck an die komplementäre Kugelhälfte (3 b) gepreßt ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Öffnung (10) zum Innenraum der Kugel (3 a, 3 b) vorgesehen ist, durch welche ein zusätzlicher, eine Absoluteichung des Kopp­ lers (1) ermöglichender LWL einführbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine scharfe Biegekontur (B) mit einem Radius von weniger als 300 um vorgesehen ist, und daß Lichtanteile der LWL über eine großflächige Fokussieroptik (17) mittels eines großflächigen Detektors (9) integrierbar sind.

7. Verfahren zum Justieren einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wechselseitig Licht in einen ersten LWL (I) und einen zweiten LWL (II) eingekoppelt wird, daß zunächst eine Messung mit maximal dejustierten LWL (I, II) und danach eine zweite Messung mit optimal justierten LWL durchgeführt wird, und daß aus den ausgekoppelten Lichtwerten die Dämpfung der Spleißstelle errechnet wird.

8. Verfahren zur Durchführung des Kopplers nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Testfaser (IV) fest mit definierter Biegung im Koppler (1) vorzugsweise eingeklebt wird, daß eine weitere Testfaser (III) lose in den Koppler eingelegt wird, und daß durch Sendedioden (18) bzw. (20) in beide Fasern (III bzw. IV) Licht eingekoppelt und die Lichtleistung nach dem Durchgang durch den Koppler (1) mittels zweier Detektoren (19 bzw. 21) gemessen wird, und daß die elektrischen Ausgangssignale der Detektoren zugeordneten Regelkreisen (RS 1 und RS 2) zugeführt werden.