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Diese Erfindung bezieht sich auf ein optisches Prüfgerät
und insbesondere auf ein Gerät zur Erfassung und
Überwachung von Verlusten und/oder Fehlern in Lichtleitfasern.
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Es ist allgemein bekannt, daß Fehler in Lichtleitfasern
durch ein optisches Zeitbezirk-Reflektometer (OTDR)
lokalisiert werden können. Ein OTDR koppelt einen
Lichtimpuls in eine Faser ein, wobei das zurückgestreute Licht
auf plötzliche Veränderungen untersucht wird, die einen
Verlust oder einen Fehler anzeigen. Der Abstand des
Verlustes oder Fehlers vom Einkoppelungsende der Faser
kann aus dem Zeitintervall zwischen dem Einkoppeln und
der Rückkehr des rückgestreuten Spitzenwertes bestimmt
werden. Sobald eine Zeitspanne, die ausreicht, um alles
erfaßbare zurückgestreute Licht zu empfangen, verstrichen
ist, kann ein weiterer Impuls in die Faser eingekoppelt
werden. Die Impulsbreite kann für verschiedene
Dynamikbereich- oder Auflösungsanforderungen verändert werden. Für
eine gegebene Amplitude ermöglicht somit eine Erhöhung
der Impulsbreite eine längere zu überwachende Faser,
d. h. sie erhöht den Dynamikbereich des OTDR. Der
Dynamikbereich eines OTDR ist die Dämpfung, nach der ein
Ereignis wie eine Rückstreuung oder Reflexion noch erfaßt
werden kann.
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Das OTDR ist deshalb eine besonders nützliche Vorrichtung
einer optischen Prüfausrüstung, da durch Anschließen an
ein einziges Ende eines Lichtleitfasernetzes die Orte von
Verlusten und Reflexionen mit hoher Genauigkeit bestimmt
und deren Amplituden gemessen werden können. Für
Verlustmessungen können sowohl Punktverluste als auch
Faser- oder Netzdurchgangsverluste gemessen werden. In
Zweiwegenetzen
ist die Amplitude aller Reflexionen wichtig, da
diese Nebensprechen verursachen können. Unter Verwendung
von Wellenlängen-Multiplextechniken (WDM) ist es auch
möglich, diese Messungen bei einer bestimmten Wellenlänge
vorzunehmen, während das Netz auf einer weiteren
Wellenlänge Daten überträgt.
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Seit kurzem werden hauptsächlich für die Verwendung in
langen Untersee-Systemen (> 75 km) OTDRs mit hohem
Dynamikbereich benötigt. Um den erforderlichen Dynamikbereich
zu erreichen, wird die Ausgangsimpulsbreite erhöht, so
daß mehr Leistung in die Faser eingekoppelt wird. Dies
bewirkt eine Verringerung der Abstandsauflösung (d. h.
des minimalen Abstandes, bei dem Ereignisse aufgelöst
werden können). Ein Impuls von 10 ps ergibt
typischerweise einen Spleißverlust, der mit einer Länge von 2 km
erscheint. Für Fernstreckensysteme, in denen Ereignisse
selten sind und weit auseinanderliegen, ist diese
Auflösung ausreichend.
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Mit dem Aufkommen von passiven optischen Netzen (PONS),
die eine kurze Länge (< 10 km), jedoch eine große
Dämpfung aufweisen (25 dB), besteht offensichtlich Bedarf an
einem OTDR mit hoher Auflösung (< 10 m) und hohem
Dynamikbereich 0 25 dB Rückstreuung). Derzeit erhältliche
OTDRS mit der erforderlichen Abstandsauflösung besitzen
einen kleinen Dynamikbereich. So hat z. B. das Ando 7110C
mit einer Impulsbreite von 50 ns (10 m Auflösung) einen
Rückstreuungsdynamikbereich von 15 dB; während das
Anritsu 910C mit einer Impulsbreite von 100 ns (20 m
Auflösung) einen Rückstreuungsdynamikbereich von 18 dB
besitzt. Es sollte beachtet werden, daß diese
Dynamikbereiche erreicht werden, indem die Dämpfung der Faser
gemessen wird, die von dem Punkt, der dem OTDR am nächsten
liegt, bis zu dem Punkt, bei dem nach 10 Minuten
Mittelungsmessung der Spitzenwert des Rauschhintergrundes
erreicht ist, gesehen werden kann. In der Praxis kann
abhängig von der vor zunehmenden Messung der nutzbare
Dynamikbereich bis zu 3 dB kleiner sein. Ferner ist aus
der JP-A-6154421 die Verwendung eines optischen Schalters
bekannt, um die Breite der eingekoppelten Impulse zu
beschränken.
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Die vorliegende Erfindung schafft eine optische
Prüfvorrichtung, die ein OTDR, einen optischen Verstärker und
einen optischen Schalter umfaßt, wobei das OTDR einen
Sender, der die Lichtimpulse in eine Prüf faser längs
eines ersten Lichtweges einkoppelt, sowie einen Empfänger
enthält, der von der Prüffaser längs eines zweiten
optischen Weges zurückgestreutes Licht empfängt, wobei der
optische Verstärker im ersten Lichtweg angeordnet ist, um
die Lichtimpulse zu verstärken, und der optische Schalter
im ersten Lichtweg zwischen dem optischen Verstärker und
der Prüffaser angeordnet ist, wobei eine Einrichtung
vorgesehen ist, die den Betrieb des optischen Schalters
in der Weise synchronisiert, daß der Schalter nur offen
ist, um Lichtimpulse durchzulassen, die vom OTDR
eingekoppelt und vom optischen Verstärker verstärkt werden.
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Ein OTDR kann aufeinanderfolgende Einzelimpulse oder
aufeinanderfolgende Bitströme in eine Faser einkoppeln,
um die Rückstreuung zu überwachen, wobei der Ausdruck
"Lichtimpulse" in dieser Beschreibung beide Möglichkeiten
umfaßt.
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Der optische Verstärker kann ein Faserverstärker sein
oder kann aus ersten und zweiten, in Reihe geschalteten
Faserverstärkern bestehen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der oder jeder
Faserverstärker durch ein Stück dotierter Lichtleitfaser
und einen Pumplaser gebildet, wobei Pumplaser über einen
Wellenlängenmultiplex-Koppler an das Stück der dotierten
Lichtleitfaser angeschlossen ist. Der Ausgang des oder
der Pumplaser ist vorzugsweise bei 1490 nm zentriert.
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Der optische Schalter verhindert, daß spontane
Leistungsemissionen der Pumplaser die Prüffaser zu anderen
Zeitpunkten erreichen als jenen, zu denen das OTDR einen
Impuls einkoppelt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der
erste Faserverstärker, der zum OTDR benachbart ist, durch
ein Stück einer mit Erbium dotierten Lichtleitfaser und
einen Pumplaser gebildet, wobei der Pumplaser über einen
entsprechenden Wellenlängenmultiplexer-Koppler an das
Stück der mit Erbium dotierten Lichtleitfaser
angeschlossen ist. Günstigerweise ist der Ausgang jedes Pumplasers
bei 1490 nm zentriert, wobei die Leistung des dem ersten
Faserverstärker zugeordneten Pumplasers 25 mW beträgt,
während die Leistung der beiden den zweiten
Faserverstärkern zugeordneten Pumplaser 55 mW beträgt.
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Die mit Erbium dotierte Lichtleitfaser des ersten
Faserverstärkers hat vorzugsweise eine Länge von 17 m, einen
Kerndurchmesser von 5 pm und einen Dotierungsgrad von
1100 ppm; während die mit Erbium dotierte Lichtleitfaser
des zweiten Faserverstärkers eine Länge von 23 m, einen
Kerndurchmesser von 6 um und einen Dotierungsgrad von
1100 ppm aufweist.
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Im ersten Lichtweg zwischen den zwei Faserverstärkern
kann ein Lithium-Niobat-Schalter angeordnet sein.
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Der oder jeder Faserverstärker ist vorzugsweise mit einem
entsprechenden optischen Isolator versehen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der optische
Schalter ein akustooptischer Schalter. Der akustooptische
Schalter wird gewöhnlich durch einen Funkfrequenztreiber
getrieben, dessen Ausgangsfrequenz so gewählt ist, daß im
Schalter eine Schallwelle erzeugt wird. Alternativ ist
der optische Schalter ein Laserverstärker, vorzugsweise
eine Mehrfachquantentopf-Vorrichtung. In diesem Fall kann
der Laserverstärker sowohl den optischen Verstärker als
auch den optischen Schalter bilden.
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Die Zeitgebereinrichtung umfaßt vorzugsweise einen
Rechteckwellengenerator und einen Impulsgenerator. Wenn der
optische Schalter und der optische Verstärker getrennte
Vorrichtungen sind, können der Rechteckwellengenerator
und der Impulsgenerator zwischen dem OTDR und dem
optischen Schalter angeordnet sein, wobei die Anordnung so
beschaffen ist, daß das Einkoppeln eines Lichtimpulses
durch das OTDR den Rechteckwellengenerator triggert, um
eine Rechteckwelle aus zugeben, deren Abstiegsflanke den
Impulsgenerator triggert, der seinerseits den optischen
Schalter triggert, wobei die Periode der Rechteckwelle so
beschaffen ist, daß sie an die Verzögerung zwischen dem
Einkoppeln des Lichtimpulses durch das OTDR und der
Ankunft jenes Impulses beim optischen Schalter angepaßt
ist. Wenn der optische Schalter ein akustooptischer
Schalter ist, sind der Rechteckwellengenerator und der
Impulsgenerator zwischen dem OTDR und dem
Funkfrequenztreiber angeordnet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine
entsprechende Zeitgebereinrichtung vorgesehen, die die
Stromversorgung für den oder jeden Pumplaser steuert,
wobei der oder jeder Pumplaser im wesentlichen nur dann
arbeitet, wenn durch das zugehörige Stück der mit Erbium
dotierten Lichtleitfaser ein Lichtimpuls läuft, und bei
dem der optische Schalter durch den (die) Faserverstärker
gebildet ist. In diesem Fall kann die oder jede
Zeitgebervorrichtung einen Rechteckwellengenerator und einen
Impulsgenerator umfassen, wobei die oder jede
Zeitgebervorrichtung so beschaffen ist, daß das Einkoppeln eines
Lichtimpulses vom OTDR den entsprechenden
Rechteckwellengenerator triggert, um eine Rechteckwelle aus zugeben,
deren Abstiegsflanke den zugehörigen Impulsgenerator
triggert, der seinerseits die Stromzufuhr an den
zugehörigen Pumplaser triggert, wobei die Periode der
Rechteckwelle so beschaffen ist, daß sie an die Verzögerung
zwischen dem Einkoppeln des Lichtimpulses durch das OTDR
und der Ankunft jenes Lichtimpulses am zugehörigen Stück
der mit Erbium dotierten Lichtleitfaser angepaßt ist.
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Vorteilhafterweise sind Einrichtungen vorgesehen, die die
Breite des Ausgangsimpulses des oder jeden
Impulsgenerators kontinuierlich verändern, wobei die Breite des
Lichtimpulses, der in die Prüffaser eingekoppelt wird,
kontinuierlich verändert werden kann. Folglich kann der
Impulsgenerator verwendet werden, um die Auflösung der
Vorrichtung zu steuern. Da diese Steuerung kontinuierlich
verändert werden kann, kann für die Prüffaser ein
optimaler Dynamikbereich/Auflösungs-Kompromiß erreicht werden.
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Das Gerät kann ferner ein Stück einer Lichtleitfaser
enthalten, die im ersten Lichtweg zwischen dem Verstärker
und dem akustischen Schalter angeordnet ist, wobei die
Länge der Lichtfaser so beschaffen ist, daß im optischen
Lichtweg zwischen dem OTDR und dem akustooptischen
Schalter eine Verzögerung erzeugt wird, die die elektrischen
Verzögerungen kompensiert, die im elektrischen Weg
zwischen dem OTDR und dem Funkfrequenztreiber auftreten.
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Im folgenden wird ein optisches Prüfgerät, das gemäß der
Erfindung konstruiert ist, anhand von Beispielen und mit
Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genauer
beschrieben, in welchen:
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Fig. 1 eine schematische Darstellung des Gerätes ist;
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Fig. 2 eine schematische Darstellung eines
Faserverstärkers ist, der einen Teil des Gerätes bildet;
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Fig. 3 eine graphische Darstellung ist, die die Wirkung
eines akustooptischen Schalters zeigt, der einen
Teil des Gerätes bildet;
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Fig. 4 eine graphische Darstellung ist, die den
Zeitablauf des akustooptischen Schalters zeigt;
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Fig. 5 eine graphische Darstellung ist, die das Spektrum
des OTDR-Lasers, der einen Teil des Gerätes
bildet, und das Spektrum des Verstärkergewinns
zeigt;
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Fig. 6 eine schematische Darstellung eines nicht
beanspruchten Gerätes zeigt.
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Fig. 1 zeigt eine Anrizu MW910C OTDR-Zentraleinheit 1 mit
einer 1550 nm MW939 Einsteckeinheit. Die Einsteckeinheit
des OTDR 1 umfaßt einen Fabry-Perot-Laser 2 und einen
Lawinendiodenempfänger 3 (APD). Das OTDR 1 ist im Grunde
unverändert, mit Ausnahme kleinerer Veränderungen, die
notwendig sind, um Zugriff zur Einsteckeinheit und
insbesondere zum Laser 2 und zum Empfänger 3 zu erlangen. Der
Laser 2 koppelt über eine Faserzweigleitung 5 Licht
impulse von 40 ns oder 100 ns mit 1550 nm in ein Stück
einer Prüffaser 4 ein; wobei der Empfänger 3 über eine
Zweigleitung 6 das von der Prüffaser zurückgestreute
Licht überwacht. Die Zweigleitungen 5 und 6 sind mittels
eines optischen Koppelelementes 7 an die Prüffaser 4
angeschlossen.
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Die Zweigleitung 5 umfaßt zwei Faserverstärker 8, denen
jeweils ein optischer Isolator 9 und über einen WDM-
Koppler 10 ein Pumplaser 11 zugeordnet sind. Die
Zweigleitung 5 umfaßt ferner, dem Verstärker 8 nachgeordnet,
ein Stück einer Verzögerungsfaser 12 sowie einen
akustooptischen Schalter 13, der ein Löschverhältnis von 30 dB
aufweist. Der Schalter 13 wird durch einen Kristall
gebildet, dessen Brechungsindex aufgrund der mechanischen
Spannung verändert wird, die die den Kristall
durchlaufende Schallwelle begleitet. Ein solcher Schalter ist ein
sehr schneller Schalter. Jeder Faserverstärker 8 wird aus
einem Stück mit Erbium dotierter Faser 8a (siehe Fig. 2)
gebildet, das mittels zweier Spleißstellen 8b in die
Zweigleitung 5 eingekoppelt ist. Die erste mit Erbium
dotierte Faser 8a besitzt eine Länge von 17 m, einen
Kerndurchmesser von 5 um und einen Dotierungsgrad von
1100 ppm (BTRL-Fertigungsreihe Nummer 398.004). Die
zweite mit Erbium dotierte Faser 8a besitzt eine Länge
von 23 m, einen Kerndurchmesser von 6 um und einen
Dotierungsgrad von 1100 ppm (BTRL-Fertigungsreihe Nummer
309.201). Jeder WDM-Koppler besitzt vier Anschlüsse, von
welchen zwei in die Zweigleitungen 5 eingespleißt sind,
wobei der Pumplaser 11 an einen weiteren Anschluß des
WDM-Kopplers angeschlossen ist und der verbleibende
Anschluß des WDM-Kopplers ein Abschlußelement 12a
besitzt. Im Betrieb wird jeder Pumplaser 11 durch einen
Peltier-Kühler auf einer konstanten Temperatur von 19 ºC
gehalten. Der Ausgang jedes Pumplasers ist auf 1490 nm
zentriert, was die optimale Pumpwellenlänge des
zugehörigen Faserverstärkers 8 ist. Der dem ersten Verstärker 8
vorangestellte optische Isolator 9 verhindert, daß
Leistung vom Pumplaser 11 den OTDR-Laser 2 erreicht (und
diesen womöglich beschädigt). Der dem zweiten Verstärker
8 vorangestellte Isolator 9 verhindert, daß die
verstärkte spontane Emission (ASE) dieses Verstärkers den
ersten Verstärker 8 teilweise sättigt, was dessen Gewinn
verringern würde. Jeder Isolator 9 weist eine Dämpfung
von nahezu 2,5 dB auf. Es werden Super-Körperkontakt-
(PC)-Verbinder verwendet, um alle Komponenten der
Zweigleitung 5 miteinander zu verbinden und ebenso um die
Koppelvorrichtung 7 an die Prüffaser 4 anzuschließen. Die
Super-PC-Verbinder werden verwendet, um Reflexionen auf
ein Minimum zu reduzieren, wodurch die Gefahr, daß die
Verstärker 8 lasern, verringert wird und auch die
Reflexionen des eingekoppelten OTDR-Impulses vom Verbinder
zwischen der Koppeleinrichtung 7 und der Prüffaser 4, die
den Empfänger 3 sättigen kann, verringert werden.
Alternativ und vorzugsweise können die PC-Verbinder durch
Spleißstellen ersetzt werden.
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Der akustooptische Schalter 13 dient dazu, zu verhindern,
daß ASE und Pumplaserleistung zu anderen Zeitpunkten als
jenen, zu denen der OTDR-Laser 2 einen Impuls einkoppelt,
in die Prüffaser 4 eingekoppelt werden. Die Wirkung des
Schalters 13 ist in Fig. 3 gezeigt. Fig. 3a zeigt den
normalen Ausgang des OTDR 1, während Fig. 3b den normalen
verstärkten Ausgang zeigt, bei dem ASE und
Pumplaserleistung ein starkes Rauschen erzeugen, das allgemein mit
dem Bezugszeichen 14 bezeichnet ist. Wenn zwischen den
OTDR-Impulsen mit ausreichend hohem Pegel die ASE und die
Pumplaserleistung in die Prüffaser 4 eingekoppelt werden,
beschränkt das zurückgestreute Rauschen jegliche
Steigerung des Dynamikbereichs des OTDR 1, die sich aus der
erhöhten Leistung aufgrund der Verstärkung der Verstärker
8 ergibt, während dies aufgrund der Wirkung des
akustooptischen Schalters 13 nicht der Fall ist. Wenn die
Leistung des Pumplasers 11 erhöht wird, um eine Steigerung
der in die Prüffaser 4 eingekoppelten Leistung zu
erreichen, würde tatsächlich der Rauschpegel bei Fehlen des
Schalters 13 auf einen solchen Pegel ansteigen, daß er
den Empfänger 3 des OTDR 1 wie in Fig. 3b gezeigt sättigt
und unbrauchbar macht. Dieses Rauschproblem wird
überwunden, indem wie in Fig. 3c gezeigt sichergestellt wird,
daß der Schalter 13 nur offen ist, um verstärkte Impulse
vom OTDR-Laser 2 durchzulassen, und zu allen anderen
Zeitpunkten geschlossen ist, wodurch alle anderen
Emissionen daran gehindert werden, in den Zwischenperioden
zwischen den Durchlaßzeitpunkten für die verstärkten
Impulse die Prüffaser 4 zu erreichen. Wenn die spontanen
Emissionen und die Pumplaseremissionen zwischen den OTDR-
Impulsen die Prüffaser 4 nicht erreichen, kann die
Leistung der eingekoppelten Impulse gesteigert werden,
während eine schmale Impulsbreite erhalten werden kann,
wodurch sichergestellt ist, daß das OTDR 1 einen hohen
Dynamikbereich und eine gute Abstandsauflösung besitzt.
Dies bedeutet jedoch, daß die verstärkten Impulse aus dem
OTDR-Laserspektrum, den spontanen Emission und den
Pumpemission zusammengesetzt sind, was jedoch nicht stört, da
das Spektrum des Ausgangsimpulses für OTDR-Zwecke
unwichtig ist.
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Wie oben erwähnt ist, ist die Zeitablaufsteuerung des
akustooptischen Schalters 13 kritisch. Der Schalter 13
wird von seinem eigenen Kochfrequenz-(HF)-Treiber 15
angetrieben, der ein Transistor-Transistor-Logik-(TTL) -
Eingangssignal in ein geschaltetes HF-Ausgangssignal
umsetzt, dessen Frequenz so gewählt ist, daß es im
Schalter eine Schallwelle erzeugt. Da jedoch die
Faserverstärker 8 eine Verzögerung bei der Ankunft eines Impulses am
Schalter 13 bewirken, weil der Lichtimpuls eine bestimmte
Zeitspanne benötigt, um die Länge einer jeden mit Erbium
dotierten Faser 8a zu durchlaufen, kann der
Schaltertreiber 15 nicht direkt mit der Treiberschaltung des OTDR-
Lasers 2 gekoppelt werden. Wie in Fig. 1 gezeigt, wird
statt dessen ein Ausgang vom OTDR-Laser 2 verwendet, um
einen Rechteckwellengenerator 16 zu triggern. Dieser
triggert seinerseits einen Impulsgenerator 17, dessen
Ausgang mit dem Treiber 15 des akustooptischen Schalters
13 verbunden ist.
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Fig. 4 zeigt den Schaltzeitablauf. Ein Ausgangsimpuls des
OPTR-Lasers 2 (siehe Fig. 4a) triggert den
Rechteckwellengenerator 16, von dessen Ausgangsrechteckwelle (siehe
Fig. 4c) die Abstiegsflanke verwendet wird, um den
Impulsgenerator 17 (siehe Fig. 4d) zu triggern. Der Ausgang
des Impulsgenerators 17 triggert dann über den Treiber 15
den Schalter 13. Durch Einstellen der Periode der
Rechteckwelle kann theoretisch die Verzögerung zwischen dem
OTDR-Laserimpuls (siehe Fig. 4a) und dem verstärkten
Impuls (siehe Fig. 4b) in Übereinstimmung gebracht
werden. In der Praxis ist aufgrund von elektrischen
Verzögerungen im Schaltweg (d. h. dem Weg vom OTDR-Laser 2 zum
Schaltertreiber 15) die Übereinstimmung noch nicht exakt.
Dies ist der Grund für die Länge der Verzögerungsfaser 12
in der Zweigleitung 5. Diese Verzögerungsfaser 12 besitzt
eine Länge von einigen hundert Metern, was ausreicht, um
eine Verzögerung im optischen Signalweg zu schaffen, um
die elektrischen Verzögerungen im Schaltweg
auszugleichen. Falls nötig, kann die Breite des Ausgangsimpulses
des Impulsgenerators 17 eingestellt werden, um mit der
Breite der verstärkten Impulse übereinzustimmen (oder
schmaler als diese zu sein). Dementsprechend kann die
Breite des Ausgangsimpulses und somit die Auflösung des
OTDR 1 durch den Schalter 13 gesteuert werden. Die
einzigen Beschränkungsfaktoren sind hierbei die Anstiegszeit
des Schalters 13 und die Bandbreite des Empfängers 3. Es
sind akustooptische Schalter mit Anstiegszeiten von
wenigen Nanosekunden verfügbar, was für ein
hochauflösendes Instrument ausreichend ist. Falls nötig, kann ferner
der Empfänger 3 verändert werden, um die erforderliche
Bandbreite für die hochauflösende Operation zu erreichen.
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Im Betrieb sendet der Laser 2 des OTDR 1 einen Impuls mit
einer Ausgangsspitzenleistung von 14 dBm (25 mW) aus. Der
Dynamikbereich (ohne die Verstärkung der Zweigleitung 5)
für Impulsbreiten von 40 ns und 100 ns beträgt 16 dB bzw.
18 dB (das ergibt eine Abstandsauflösung von 20 m bzw.
8 m). Durch Verstärkung der Impulse in der Zweigleitung 5
wird jedoch eine Impulsleistung von 27 dBm (500 mW) in
die Faser 4 eingekoppelt, wobei diese Leistungssteigerung
um 13 dB theoretisch eine Steigerung des Dynamikbereiches
um 6,5 dB für jede Impulsbreite ergeben sollte, wobei das
Rauschen am Empfänger 3 nicht erhöht wird, da der Impuls
die Dämpfung der Faser zweimal erfährt, nämlich in jeder
Richtung einmal. Der gemessene Dynamikbereich des in
Fig. 1 gezeigten Geräts beträgt 22,5 dB bzw. 24,5 dB für
40 ns und 100 ns (wobei die Abstandsauflösungen von 20 m
bzw. 8 m beibehalten werden). Somit schafft die
Vorrichtung der Erfindung einen erhöhten Dynamikbereich für ein
OCDR, wobei die hohe Auflösung beibehalten wird.
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Fig. 5 ist ein Vergleich des Spektrums A des Lasers 2 mit
dem Spektrum B der Verstärkung des aus den zwei
Faserverstärkern 8 gebildeten Verstärkers. Wie hierbei deutlich
wird, liegt das Laserspektrum A (das eine
Spektralbandbreite von ungefähr 40 nm besitzt) vollständig innerhalb
des Verstärkergewinnspektrums B. Mit anderen Worten, die
Verstärkungscharakeristik des Verstärkers ist so
beschaffen, daß das gesamte Ausgangsspektrum des Lasers 2
verstärkt wird. Die Verwendung der Faserverstärker 8 erlaubt
somit die Verwendung eines relativ billigen Fabry-Perot-
Lasers. Im Gegensatz dazu besitzen Verstärker
herkömmlicher OTDRS schmale Bandbreiten, wodurch die Verwendung
von teueren Distributed-Feedback-(DFB)-Lasern
erforderlich ist. Da außerdem das Laserspektrum A gut innerhalb
des Verstärkergewinnspektrums B liegt, ergibt sich eine
breite Toleranz für die verwendbaren Laserwellenlängen.
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Da es schwierig ist, einen Fabry-Perot-Laser mit einem
vorgegebenen Ausgang herzustellen, erlaubt diese
Wellenlängentoleranz Toleranzen für den Ausgang des
anzupassenden Fabry-Perot-Lasers, wodurch die Verwendung billigerer
Fabry-Perot-Laser möglich wird, als dies sonst der Fall
wäre.
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Es ist klar, daß an der obenbeschriebenen Vorrichtung
Modifizierungen vorgenommen werden können. So kann durch
Erhöhung der Leistung der Faserverstärker 8 die in die
Prüffaser 4 eingekoppelte Lichtleistung auf ungefähr
33 dBm (2 W) erhöht werden. Oberhalb dieses Pegels können
Probleme entstehen, wenn die Verbinder nicht frei von
Störungen gehalten werden, so daß dies die praktisch
größtmögliche Einkoppelleistung ist. Um einen solchen
Einkoppelleistungspegel zu erreichen, wird aufgrund der
Dämpfung (ungefähr 15 dB) in den optischen Komponenten
der Verzögerungsfaser 12 (dem akustooptischen Schalter 13
und der Koppeleinrichtung 7), die den Verstärkern 8
nachgeordnet sind, eine Verstärkerspitzenabgabe von
48 dBm (63 W) benötigt. Selbstverständlich ist es
möglich, die Faserverstärker 8 durch einzelne
Faserverstärker mit geeignetem Verstärkungsfaktor zu ersetzen, oder
drei oder mehr Faserverstärker zu verwenden. Ferner ist
es möglich, anstelle der Faserverstärker einen oder
mehrere Halbleiterverstärker zu verwenden.
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Die obenbeschriebene Vorrichtung kann ferner verbessert
werden, indem ein Empfänger mit einer größeren
Empfindlichkeit verwendet wird. Es gibt zwei Möglichkeiten,
entweder die Verwendung von Photonenzähltechniken oder
ein optischer Empfänger mit einem integrierten
Vorverstärker. Wenn ferner schmalere lmpulsbreiten verwendet
werden, um eine höhere Auflösung zu erreichen, muß die
Empfängerschaltung leicht geändert werden, um die
erforderliche größere Bandbreite zu erreichen. In diesem
Zusammenhang bestehen zwei Optionen, um die Ausgangs
impulsbreite zu verringern. Erstens die Verwendung des
akustooptischen Schalters 13 und zweitens die Modifizierung
der Impulserzeugungsschaltung im OTDR 1. Bei Verwendung
des Schalters 13 muß der in den Schaltkristall
eintretende, parallelgerichtete Strahl fokussiert werden, da
die Anstiegszeit des Schalters von der Zeitspanne
abhängt, die die Schallwelle benötigt, um den Strahl zu
durchqueren. Wenn ein parallelgerichteter Strahl mit
400 um Durchmesser verwendet wird, ergibt sich eine
Anstiegszeit von ungefähr 20 ns. Wenn der Strahl
fokussiert wird, kann die Anstiegszeit auf wenige Nanosekunden
reduziert werden. Dies ist erforderlich, wenn der Impuls
auf eine Zeitspanne von weniger als 10 ns reduziert
werden soll. Die Modifizierung der
Impulserzeugungsschaltung ist möglicherweise ein relativ einfacher Vorgang,
selbst wenn die Bandbreite der
Impulsverstärkungsschaltung unbekannt, jedoch wahrscheinlich zu niedrig ist. Die
Probleme der Empfänger- und Impulsgeneratorbandbreite
können jedoch überwunden werden, indem ein speziell
ausgelegtes hochauflösendes OTDR verwendet wird.
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Ferner ist es möglich, die Verstärkungsmerkmale der
Faserverstärker 8 zu verändern, indem die Konzentrationen
der Erbiumdotierung verändert werden. Die Länge der für
diese Verstärker 8 verwendeten Fasern 8a hängt von der
Leistung der zugehörigen Pumplasers 11 ab und kann für
Pumplaserausgänge zwischen 15 und 90 mW zwischen 10 und
25 in betragen. Ähnlich hängt die Betriebswellenlänge
einer jeden Pumpe von den Merkmalen des Faserverstärkers
ab, dem sie zugeordnet ist.
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In einer weiteren Modifizierung kann zwischen dem
akustooptischen Schalter 13 und der Koppeleinrichtung 7 ein
Filter angeordnet sein, um die die Prüffaser 4
erreichende Pumpleistung zu verringern und die Spontanabgabe
der Faserverstärker 8 zu verengen. In diesem Fall kann
der Fabry-Perot-Laser 2 durch einen DFB-Laser ersetzt
werden, wenn ein Ausgang mit sehr schmaler
Spektralbandbreite erforderlich ist.
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In einer besonders vorteilhaften Modifizierung ist in der
Zweigleitung 5 zwischen den beiden Verstärkern 8 ein
Lithium-Niobat-Schalter angeordnet, der nach dem Mach-
Zehnder-Prinzip funktioniert. Es ist eine Zeitgeber- und
Treiberschaltung - ähnlich jener, die zum Steuern des
Schalters 13 verwendet wird (d. h. ein
Rechteckwellengenerator, ein Impulsgenerator und ein Schaltertreiber)
- vorgesehen, um den Lithium-Niobat-Schalter zeitlich so zu
steuern, daß nur verstärkte Impulse an den zweiten
Verstärker gesendet werden. Dies soll verhindern, daß die
ASE des ersten Verstärkers eine Populationsinversion im
zweiten Verstärker verursacht, die die gespeicherte
Pumpenergie und somit den nutzbaren Gewinn verringern
könnte. Bei dieser modifizierten Anordnung wird der erste
Verstärker (unter Verwendung eines Pumplasers mit 25 mW)
gegen die Welle gepumpt, um die ASE-Energie, die am
zweiten Verstärker ankommt, zu minimieren. Der zweite
Verstärker wird bidirektional gepumpt, wodurch seine
Verstärkung verbessert wird. Dieses bidirektionale Pumpen
wird unter Verwendung zweier Pumplaser mit 55 mW
erreicht, jeweils einer am Ende des zugehörigen
Faserverstärkers, wobei jeder Pumplaser über einen entsprechenden
WDM-Koppler mit dem Faserverstärker verbunden ist. In
diesem Fall sind alle drei Pumplaser
Halbleiterlaserdioden, die bei einer Wellenlänge von 1490 nm betrieben
werden. Für eine Impulsbreite von 100 ns und eine
Impulswiederholperiode von 1,6 ms besitzt das OTDR einen
Entfernungsbereich von 144 km. Ohne irgendeine Eingabe in
den zweiten Verstärker beträgt die
Haupt-ASE-Abgabeleistung ("vor" dem akustooptischen Schalter 13 gemessen)
5 mW. Dies entspricht einer Gesamtenergieabgabe von 8 uJ
pro Wiederholperiode. Der Energieinhalt des verstärkten
Impulses - der eine optische Spitzenleistung von 100 W
(wieder "vor" dem Schalter 13 gemessen) aufweist -
beträgt 10 uJ, was vergleichbar ist mit der gesamten ASE-
Energie. Dies bewirkt, daß die Verstärkung des zweiten
Verstärkers gerade gesättigt ist. Die
Einkopplungsdämpfung des Schalters 13 und der Koppeleinrichtung 7
verringert die Lichtspitzenleistung auf 2 W (33 dBm). Der
Dynamikbereich des auf diese Weise modifizierten OTDRS
liegt deshalb theoretisch 9,5 dB höher als die 18 dB des
"Standard"-OTDRS (d. h. ohne die Verstärkung in der
Zweigleitung 5). In der Praxis verringern jedoch die
Koppelverluste den Dynamikbereich des modifizierten
Instruments auf 26 dB. Für Impulse von 3 ns beträgt der
Dynamikbereich des modifizierten Instruments 14 dB (statt
4 dB für das "Standard"-Instrument).
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Es wäre selbstverständlich möglich, jeden der
Faserverstärker (unabhängig davon, wieviele vorhanden sind) durch
bidirektionales Pumpen zu betreiben. Das bidirektionale
Pumpen für den ersten der beiden oder der mehreren
Verstärker ist jedoch von zweifelhaftem Wert, da in dieser
Stufe normalerweise kein Bedarf an zusätzlicher Leistung
besteht. Tatsächlich kann zu viel Leistung in einem
solchen Verstärker von Nachteil sein, da sie Ablagerungen
auf den nachgeordneten PC-Verbindern verursacht.
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In einer weiteren modifizierten Anordnung kann der
akustooptische Schalter durch einen
Halbleiterlaserverstärker ersetzt sein, insbesondere durch eine
Mehrfachquantentopf-Vorrichtung (die die auftretenden hohen
Eingangsleistungen verarbeiten kann). In diesem Fall wird der
Laserverstärker synchron mit dem Ankommen und dem Abgehen
von Lichtimpulsen des OTDRS ein- und ausgeschaltet. Ein
Vorteil der Verwendung eines Laserverstärkers anstelle
des akustooptischen Schalters besteht darin, daß die
Verstärkung eines Laserverstärkers im allgemeinen ≥ 1
ist, so daß dieser einen verlustlosen Schalter bildet. Im
Vergleich dazu weist ein akustooptischer Schalter eine
Dämpfung von ungefähr 7 dB auf. Dies bedeutet, daß die
Verstärkerstufen vor dem Schalter nicht so kritisch sind.
Wenn der Laserverstärker eine ausreichende Verstärkung
aufweist, sind die Faserverstärker 8 tatsächlich nicht
mehr erforderlich, wobei der Laserverstärker sowohl als
optischer Verstärker als auch als optischer Schalter
dient. Eine solche Anordnung ist in Fig. 6 gezeigt, in
der für ähnliche Teile ähnliche Bezugszeichen verwendet
sind und das Bezugszeichen 13' den Mehrfachquantentopf-
Halbleiterlaserverstärker bezeichnet, der sowohl einen
optischen Verstärker als auch einen optischen Schalter
bildet. In diesem Fall wird der Rechteckwellengenerator
16 verwendet, um den lmpulsgenerator 17 zu triggern, der
seinerseits den Laserverstärker 13' triggert.
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Ferner ist es möglich, den Strom in die beiden Pumplaser
11 zu Impulsen, so daß die beiden Faserverstärker als
optische Schalter wirken. Jeder Pumplaser 11 hätte dann
seinen eigenen Zeitgeberschalter, der aus einem
Rechteckwellengenerator und einem Impulsgenerator bestünde. Diese
Modifizierung sollte für breite Impulse (bis 200 ns)
zufriedenstellend arbeiten, wobei jedoch bei schmalen
Impulsen (bis 3 ns) Probleme auftreten könnten. Zum
Beispiel könnten Probleme beim Steuern der Pumplaser und
Probleme mit dem Abklingen nach dem Abschalten der
Pumplaser auftreten.