DE4230345A1 - Optisches niederkohaerenz-reflektometer mit optischer verstaerkung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Interfero­ meter zum Messen der optischen Eigenschaften eines Gerätes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Allgemein befaßt sich die Erfindung mit optischen Messungen und insbesondere mit der optischen Reflektometrie.

Die zunehmende Verwendung optischer Komponenten in der Nach­ richtentechnik und in Datenverarbeitungssystemen führte zu einer erhöhten Nachfrage nach Verfahren zum Messen optischer Inhomogenitäten in optischen Komponenten. Beispielsweise be­ steht bei Nachrichtensystemen mit optischen Leitern ein Be­ darf an der Messung von Splissungsverlusten und an der Mes­ sung des Ortes von nicht-reflektierenden Faserbrüchen. In ähnlicher Weise besteht ein Bedarf an einer Methodik für die Charakterisierung optischer Komponenten, wie beispielsweise optischer planarer Wellenleiter auf Silizium-Dioxid-Basis und LiNbO₃-Wellenleiter.

Ein Verfahren zum Analysieren von Inhomogenitäten in opti­ schen Fasern besteht in der optischen Reflektometrie im Zeitbereich. Bei diesem Verfahren wird ein Lichtpuls über die optische Faser übertragen. Sodann wird die Rayleigh′sche Lichtrückstreuung gemessen, die sich aus der Wechselwirkung dieses Lichtpulses mit einer Inhomogenität in der Faser ergibt. Die Zeitverzögerung zwischen dem einfallenden Licht­ puls und dem reflektierten Licht liefert Informationen über den Ort der Inhomogenität. Die Amplitude des rückgestreuten Lichtsignales liefert eine Information über den Grad der Inhomogenität. Bei üblichen gepulsten Techniken wird die Messung des rückgestreuten Lichtes bei Erhöhung der räum­ lichen Auflösung immer schwieriger. Eine höhere räumliche Auflösung führt gleichzeitig zu niedrigeren Pegeln der rück­ gestreuten Lichtleistung und zu einer erhöhten Rauschlei­ stung aufgrund der zunehmenden Empfängerbandbreiten.

Interferometrie mit weißem Licht oder optische Niederkohä­ renz-Reflektometrie schaffen eine Technik, welche eine Ver­ besserung von einigen Größenordnungen sowohl hinsichtlich der Empfindlichkeit als auch hinsichtlich der räumlichen Auflösung verglichen mit bekannten Verfahren im Zeitbereich liefern. Es wurde über räumliche Auflösungen unter Verwen­ dung dieser Techniken in der Größenordnung zwischen 20 und 40 Mikrometer berichtet. Diese Auflösung gleicht einer Auf­ lösung, die man bei Verwendung von Pulsbreiten von wenigen hundert Femtosekunden bei Einsatz üblicher Pulstechniken er­ halten würde. Für diese Auflösungen liegen durchschnittliche rückgestreute Pegel bei üblichen Nachrichtenfasern in der Größenordnung von minus 115 dB. Reflexionsempfindlichkeiten sind auf Werte nahe der rückgestreuten Pegel aufgrund der Rauschintensität für niederkohärente optische Quellen be­ grenzt. Jedoch wurde eine Reflexionsempfindlichkeit von minus 136 dB bei einer Wellenlänge von 1,3 Mikrometer unter Verwendung einer Hochleistungs-Superlumineszenz-Diode und bei Verwendung eines symmetrischen Erfassungsschemas de­ monstriert, um die Rauscheffekte zu minimieren (Takada et al., "Rayleigh Backscattering Measurements of Single-Mode Fibers by Low Coherence Optical Time-Domain Reflectometry With 14 µm Spatial Resolution", Appl. Phys. Lett., 59, Seite 143, 1991).

Obgleich die Niederkohärenz-Reflektometrie eine Auflösung und Empfindlichkeit zur Durchführung der fraglichen Messun­ gen liefert, kann die erforderliche Zeit aufgrund der nied­ rigen Leistungspegel des rückgestreuten Lichtes hinderlich sein. Um hinnehmbare Signal-/Rausch-Verhältnisse zu schaf­ fen, werden lange Signalmittelungszeiten benötigt. Die sich ergebenden langen Meßzeiten bilden einen hauptsächlichen Nachteil bei der Verwendung dieser Art der Meßsysteme.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein opti­ sches Interferometer zu schaffen, das verbesserte Meßeigen­ schaften hat.

Diese Aufgabe wird durch ein Interferometer gemäß Patent­ anspruch 1 gelöst.

Allgemein liefert die Erfindung eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren für die Niederkohärenz-Re­ flektometriemessungen.

Ferner liefert die Erfindung ein Niederkohärenz-Reflekto­ metriesystem mit erheblich verminderter Meßzeit verglichen mit bekannten Niederkohärenz-Reflektometriesystemen.

Die Erfindung schafft ein optisches Interferometer zum Messen der optischen Eigenschaften eines Gerätes. Die Er­ findung bedient sich eines optischen Verstärkers mit einer Dioden-gepumpten superfluoreszenten Faser zum Schaffen eines niederkohärenten Lichtsignales, welches in ein erstes und ein zweites Lichtsignal aufgeteilt wird. Ein Teil des ersten Lichtsignales wird an das Gerät angelegt, woraufhin das durch dieses rückgestreute Licht erfaßt wird. Das rückge­ streute Licht wird dann unter Verwendung eines optischen Verstärkers verstärkt, welcher eine Dioden-gepumpte super­ fluoreszente Faser umfaßt, bevor es mit dem zweiten Licht­ signal gemischt wird. Bei dem bevorzugten Ausführungsbei­ spiel der Erfindung wird die gleiche Dioden-gepumpte super­ fluoreszente Faser sowohl für die niederkohärente Licht­ quelle wie auch für den optischen Verstärker verwendet. Die relativen optischen Wege, die von dem zweiten Lichtsignal durchlaufen werden, und die von dem rückgestreuten Licht durchlaufen werden, werden durch einen beweglichen Spiegel verändert. Die Bewegungsrate des Spiegels oder eine optische Phasenverschiebungsschaltung können verwendet werden, um eine Taktfrequenz bzw. Schlagfrequenz zu erzeugen, um die Erfassung der in kohärenter Weise in Wechselwirkung treten­ den Signale in dem Addierer zu verbessern.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Niederkohärenz-Reflekto­ meters;

Fig. 2 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Niederkohärenz-Reflektometers;

Fig. 3 ein Blockdiagramm eines zweiten Ausführungsbei­ spieles eines Niederkohärenz-Reflektometers gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 ein Blockdiagramm eines vierten Ausführungsbei­ spieles eines Niederkohärenz-Reflektometers gemäß der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 5 ein Blockdiagramm eines vierten Ausführungsbei­ spieles eines Niederkohärenz-Reflektometers gemäß der vorliegenden Erfindung.

Die Art, in der ein Niederkohärenz-Reflektometer arbeitet, kann ohne weiteres unter Bezugnahme auf Fig. 1 verstanden werden, wobei diese Fig. eine schematische Darstellung eines Niederkohärenz-Reflektometers 10 zur Messung der optischen Eigenschaften eines Gerätes 12 ist.

Eine Niederkohärenz-Lichtquelle 14 wird verwendet, um dem Gerät 12 Licht zuzuführen. Die optische Kohärenzlänge des Lichtes von der Lichtquelle 14 bestimmt die räumliche Auf­ lösung der Messungen. Eine geeignete Lichtquelle kann auf­ gebaut werden, indem man sich der verstärkten spontanen Emission von einer Faser, die mit Erbium dotiert ist, be­ dient. Derartige Fasern sind auf dem Gebiet der optischen Technik bekannt und benötigen daher keiner weiteren Erläute­ rung. Licht von der Quelle 14 wird durch den Koppler 16 auf­ geteilt, der an die Quelle 14 über die Faser 13 angeschlos­ sen ist. Der Koppler 16 teilt das Licht zwischen den beiden Armen des Interferometers. Der erste Arm mit der Faser 15 liefert Licht an das Gerät 12. Die Polarisation dieses Lich­ tes wird durch zwei Polarisationssteuerschleifen 18 ge­ steuert. Ein optionaler Phasenschieber kann in diesem Arm des Interferometers enthalten sein. Die Verwendung des Pha­ senschiebers wird nachfolgend detailliert erläutert. Das Rayleigh′sche rückgestreute Licht von dem Gerät 12 wird zu dem Koppler 16 über eine Faser 15 rückgeführt. Ein Teil des rückgestreuten Lichtes wird einem zweiten Koppler 22 über eine Faser 20 geliefert.

Ein zweiter Arm des Interferometers hat eine veränderliche Zeitverzögerung. Der Anteil des Lichtes von dem Koppler 16, der nicht über die Faser 15 herabgeleitet wird, wird der Faser 23 zugeführt und liefert ein Bezugslichtsignal. Dieses Licht kann durch eine Linse 30 auf einen Spiegel 24 abge­ bildet werden, der auf einer beweglichen Bühne befestigt ist. Die Bewegung in der Z-Richtung ändert die optische Weg­ länge des zweiten Armes des Interferometers. Das Licht, das den Spiegel 24 verläßt, wird durch die Linse 31 in die Faser 26 abgebildet und dem Koppler 22 geliefert. Der Koppler 22 arbeitet als Addierer zum Kombinieren des Rayleigh′schen rückgestreuten Lichtes von dem Gerät 12 und des Bezugssig­ nallichtes von der Quelle 14. Wenn die Zeitverzögerung von dem zweiten Arm des Interferometers mit der Zeitverzögerung einer Reflexion von dem Gerät 12 übereinstimmt, erzeugt die kohärente Interferenz ein Überlagerungssignal oder Schlag­ signal bzw. Taktsignal von einer vorbestimmten Frequenz. Die Leistung in dem Lichtsignal bei der Schlagfrequenz bzw. Schwebungsfrequenz wird durch einen symmetrischen Detektor 32 mit zwei Photodioden 27, 28 und einem Addierer 33 erfaßt. Dieses Leistungsspektrum des subtrahierten Ausgangssignales wird durch einen Spektrum-Analysator 29 gemessen.

Die Schlagfrequenz bzw. Schwebungsfrequenz ist vorzugsweise derart gewählt, daß sie mit einem Minimum des Rauschunter­ grundes des Verstärkers übereinstimmt. Die Frequenz kann durch eine der nachfolgenden beiden Verfahren gesteuert werden. Bei dem bevorzugten Verfahren bedient man sich eines Phasenschiebers 11, der über einen Bereich von 180° säge­ zahnmäßig rampenartig angesteuert wird, und eine Serrodyn- Frequenzverschiebung an dem zurückkommenden Signal erzeugt. In diesem Fall hat das Schwebungssignal oder Schlagsignal die Serrodyn-Frequenz mit einer Stärke, die von dem Betrag der Reflexion abhängt. In diesem System wird der Schritt 24 schrittweise durch jede mögliche Lage bewegt und das Signal über eine ausreichende Zeit gemittelt, um das gewünschte Signal-/Rausch-Verhältnis zu schaffen. In Abweichung hiervon kann der Phasenschieber 11 beseitigt werden und der Spiegel in einer kontinuierlichen Art während der Messung bewegt werden. Die kontinuierliche Bewegung führt zu einer Doppler­ verschiebung der Frequenz des Lichtes in dem zweiten Arm des Interferometers. Die Schlagfrequenz oder Schwebungsfrequenz hat hier die Dopplerverschiebungsfrequenz. Unglücklicher­ weise beschränken Vibrationen in dem mechanischen Teil das Ausmaß, mit dem eine schmalbandige Dopplerfrequenzverschie­ bung erzeugt werden kann, so daß die erstgenannte Technik bevorzugt wird.

Die Koppler 16 und 22 sind übliche geklebte Koppler, die durch Zusammenkleben zweier optischer Fasern erzeugt werden. Derartige Koppler sind an sich im Stand der Technik bekannt und müssen daher nicht näher erläutert werden.

Während das Interferometer 10 für viele interessierende Messungen ein ausreichendes Signal-/Rausch-Verhältnis lie­ fert, wird eine erhebliche Zeit für die Signalmittelung be­ nötigt. Es werden Mittelungszeiten von mehr als eine Sekunde pro Spiegelstellung benötigt. Diese Mittelungszeiten sind ein Ergebnis der niedrigen Intensität des rückgestreuten Lichtes von dem Gerät 12. Die vorliegende Erfindung vermei­ det diese langen Mittelungszeiten durch Verwendung eines Lichtverstärkers in dem optischen Weg zwischen dem Gerät 12 und dem Koppler 22.

Die Art, in der eine optische Verstärkung zur Verminderung der Mittelungszeiten eingeführt werden kann, wird leichter unter Bezugnahme auf Fig. 2 verstanden werden, wobei diese Fig. ein Blockdiagramm eines Interferometers 200 gemäß der vorliegenden Erfindung ist. Die meisten Komponenten des Interferometers 200 dienen Funktionen, die analog zu dem­ jenigen der Komponenten sind, die unter Bezugnahme auf Fig. 1 diskutiert wurden. Komponenten mit übereinstimmenden oder analogen Funktionen sind mit Bezugszeichen bezeichnet, die sich um 200 von dem Bezugszeichen der analogen Komponenten in Fig. 1 unterscheiden. Um die Komplexität der Zeichnung zu vermindern, wurde der Phasenschieber im Bereich der zu testenden Vorrichtung fortgelassen. Jedoch ist es klar, daß ein Phasenschieber nahe dem zu testenden Gerät vorgesehen sein kann, um die Schlagfrequenz oder Schwingungsfrequenz bzw. Schwebungsfrequenz zu erzeugen.

Das Interferometer 200 umfaßt einen optischen Verstärker 236 in der Faser 215. Der optische Verstärker 236 verstärkt das rückgestreute Licht von dem Gerät 212, um auf diese Weise die Größe des rückgestreuten Lichtsignales bei dem Koppler 222 um einen Faktor zu erhöhen, der der Verstärkung des Verstärkers 236 entspricht. Dieses vermindert die Mitte­ lungszeit um einen Faktor, der der Verstärkung des Ver­ stärkers 236 gleich kommt. Für momentan verfügbare optische Verstärker kann dies zu einer Reduktion um einen Faktor 100 bezüglich der Meßzeiten führen.

Der optische Verstärker 236 ist vorzugsweise auf einer Dio­ den-gepumpten superfluoreszenten Faserquelle ähnlich der Quellen 214 aufgebaut. Derartige Verstärker werden mit optischen Fasern aufgebaut, die mit seltenen Erden dotiert sind, und werden zur Verstärkung von Signalen in optischen Nachrichtensystemen eingesetzt. Beispielsweise können Erbium-dotierte optische Fasern für diesen Typ eines Ver­ stärkers eingesetzt werden. Derartige Verstärker sind im Bereich der optischen Technik an sich bekannt und bedürfen daher keiner detaillierten Erläuterung. Eine Diskussion eines derartigen Verstärkers findet sich in "High Power Compact 1.48 µm Diode-Pumped Broadband Superfluorescent Fiber Source at 1.55 µm", Electronics Letters, 27, Seite 261, 1991. Zusätzlich können auf Halbleiterbasis ausgeführte optische Verstärker als Verstärker 236 eingesetzt werden.

Obgleich das Interferometer 200 eine erhebliche Verbesserung gegenüber dem Interferometer 10 darstellt, ist die Anordnung des optischen Verstärkers nicht optimal. Der Verstärker 236 verstärkt gleichfalls das hereinfallende Signal von der Quelle 214. Dies kann zu einer einfallenden Lichtintensität führen, die nicht-lineare optische Effekte in dem zu testen­ den Gerät hervorruft. Ferner stellt der Verstärker 236 zu­ sätzliche Systemkosten dar. Es ist natürlich wünschenswert, diese Kosten zu vermeiden.

Die Kosten dieser zusätzlichen Komponente können dadurch vermieden werden, daß ein optischer Verstärker in einem der optischen Wege angeordnet wird, welche das rückgestreute Licht durchläuft, und in dem von der Tatsache Gebrauch ge­ macht wird, daß eine Dioden-gepumpte superfluoreszente Faserquelle gleichfalls ein kontinuierliches niederkohären­ tes Lichtsignal erzeugt. Daher kann der optische Verstärker auch verwendet werden, um die Lichtquelle zu ersetzen, wo­ durch im wesentlichen die zusätzlichen Kosten dieser Kompo­ nente ersetzt werden.

Ein Interferometer, welches eine alternative Anordnung der Verstärker-/Licht-Quelle nutzt, ist in Fig. 3 mit dem Be­ zugszeichen 100 bezeichnet. Wiederum dienen viele Komponen­ ten des Interferometers 100 analogen Funktionen, bezogen auf die Funktionen der Komponenten, die unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert wurden. Komponenten mit analogen Funktionen haben Bezugszeichen, die sich von den analogen Komponenten in Fig. 1 um 100 unterscheiden. Zur Verminderung der Kom­ plexität der zeichnerischen Darstellung wurde der Phasen­ schieber nahe des zu testenden Gerätes fortgelassen. Es ist jedoch klar, daß der Phasenschieber nahe des zu testenden Gerätes vorgesehen sein kann, um die Schlagfrequenz bzw. Schwebungsfrequenz zu erzeugen.

Das Interferometer 100 unterscheidet sich dahingehend von dem Interferometer 200, daß der optische Verstärker/die optische Lichtquelle in eine Lage zwischen dem Strahlteiler­ koppler 116 und dem Mischkoppler 122 verschoben sind. Das von dem Verstärker 135 emittierte Licht wird durch den Koppler 116 in zwei Strahlen aufgeteilt. Ein Strahl wird dem Gerät 112 durch die optische Faser 115 zugeführt, während der andere Strahl längs des zweiten Armes des Interferome­ ters mit der Faser 123 und dem sich bewegenden Spiegel 124 übertragen wird. Das rückgestreute Licht von dem Gerät 112 kehrt zu dem Verstärker 137 über die Fasern 115 und 120 durch den Koppler 116 zurück. Der Verstärker 135 verstärkt das rückgestreute Lichtsignal. Das verstärkte Signal wird dann mit dem Bezugslichtsignal auf der Faser 126 durch den Addierer 122 kombiniert.

Es gibt zwei weitere Positionen für den Verstärker/die Lichtquelle, die gleichzeitig zu verminderten Mittelungs­ zeiten führen. Diese sind in den Fig. 4 und 5 mit dem Be­ zugszeichen 400 und 500 dargestellt. Erneut erfüllen viele Komponenten der Interferometer 400 und 500 Funktionen, die analog den Funktionen der unter Bezugnahme auf Fig. 1 dis­ kutierten Komponente sind. Komponenten mit analogen Funktio­ nen sind mit Bezugszeichen bezeichnet, die von den analogen Komponenten in Fig. 1 sich um 400 bzw. 500 unterscheiden. Um die Komplexität der Darstellung zu vermindern, ist erneut der Phasenschieber nahe des zu testenden Gerätes fortgelas­ sen. Wiederum ist jedoch offenkundig, daß ein Phasenschieber nahe des zu testenden Gerätes vorgesehen sein kann, um die Schwebungsfrequenz bzw. Schlagfrequenz zu erzeugen.

Während sämtliche Konfigurationen der Fig. 3 bis 5 ver­ minderte Mittelungszeiten liefern, ist die Konfiguration gemäß Fig. 4 bevorzugt, da sie das Rauschen verglichen mit anderen Konfigurationen vermindert. Es sei angemerkt, daß Licht von beiden Enden der Verstärkerlichtquelle emittiert wird. Das Licht, das nicht in der Richtung des zu testenden Gerätes verläuft, trägt zu dem Rauschen in dem Detektor (232, 332 und 432) bei. Die in Fig. 4 gezeigte Konfiguration wird als bevorzugt angesehen, da das rauschende Lichtsignal den Addierer 422 über den sich bewegenden Spiegel 424 und das System, daß zum Koppeln des Lichtsignales zurück in die Faser 426 verwendet wird, erreichen muß. Dieser optische Weg hat erhebliche Lichtverluste, so daß das Rauschen reduziert ist.

Wie aus der obigen Beschreibung offenkundig ist, liefert das niederkohärente Interferometer verminderte Meßzeiten. Ver­ schiedene Modifikationen des beschriebenen und in den Zeich­ nungen dargestellten Ausführungsbeispieles sind für Fach­ leute offenkundig, so daß die Erfindung lediglich auf den Umfang der beigefügten Ansprüche beschränkt verstanden werden soll.

Claims (6)

1. Optisches Interferometer (100, 200, 400, 500) zum Messen der optischen Eigenschaften eines Gerätes (112, 212), gekennzeichnet durch:
eine Quelleneinrichtung (214, 135, 435, 535) zum Er­ zeugen eines niederkohärenten Lichtsignales;
eine Teilereinrichtung (116, 216, 416, 516) zum Auf­ teilen des niederkohärenten Lichtsignales in ein erstes und ein zweites Lichtsignal;
eine Einrichtung (215, 115) zum Anlegen eines Teiles des ersten Lichtsignales an das Gerät;
eine Addierer-Einrichtung (222, 122, 422, 522) zum Kom­ binieren der Lichtsignale an einem ersten bzw. zweiten Tor derselben, um ein kombiniertes Lichtsignal zu er­ zeugen;
eine Erfassungs-Einrichtung (32, 232, 132, 432, 532) zum Messen der Amplitude des kombinierten Lichtsignales;
eine Einrichtung (220, 120, 420, 520) zum Erfassen eines Teiles des rückgestreuten Lichtes, das durch das Anlegen des ersten Lichtsignales an das Gerät erzeugt wird, und zum Zuführen eines Teiles des gesammelten rückgestreuten Lichtes zu dem ersten Tor der Addierer-Einrichtung (222, 122, 422, 522);
eine Einrichtung (226, 126, 426, 526) zum Zuführen eines Teiles des zweiten Lichtsignales zu dem zweiten Tor der Addierer-Einrichtung (222, 122, 422, 522);
eine Einrichtung (224, 124, 424, 524) zum Verändern der Differenz der optischen Weglängen, die durch das rück­ gestreute Licht und das zweite Lichtsignal durchlaufen werden, bevor diese in die Addierer-Einrichtung (222, 122, 422, 522) eintreten; und
eine optische Verstärker-Einrichtung (236, 135, 435, 526) zum Verstärken des Anteiles des gesammelten rück­ gestreuten Lichtes, bevor der Anteil des rückgestreuten Lichtes der Addierer-Einrichtung (222, 122, 422, 522) zugeführt wird.

2. Interferometer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärker-Einrichtung (236, 135, 435, 526) ferner eine Lichtquelle umfaßt, die als Lichtquellen- Einrichtung arbeitet.

3. Interferometer gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärker-Einrichtung (236, 135, 435, 526) eine Dioden-gepumpte superfluoreszente Faser umfaßt.

4. Interferometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärker-Einrichtung (236, 135, 435, 526) einen optischen Verstärker auf Halbleiterbasis umfaßt.

5. Interferometer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Verändern der Differenz der optischen Weglängen, die von dem rückgestreuten Licht und dem zweiten Lichtsignal zurückgelegt werden, bevor diese in die Addierer-Einrichtung (222, 122, 422, 522) eintreten, einen beweglichen Spiegel umfaßt, der einen Teil des optischen Weges zwischen der Addierer-Einrich­ tung (222, 122, 422, 522) und der sammelnden Einrichtung (220, 120, 420, 520) umfaßt.

6. Interferometer gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die sammelnde Einrichtung (220, 120, 420, 520) eine Teilereinrichtung (116, 216, 416, 516) umfaßt, und
daß die Verstärker-Einrichtung (236, 135, 435, 526) zwischen der Teiler-Einrichtung (116, 216, 416, 516) und dem beweglichen Spiegel angeordnet ist.