Aufbau passiver optischer Netze

Überwachung (Monitoring) passiver Netze der optischen
Übertragungstechnik
Prof. Dr. G. Kinshofer, FH München, Dipl.-Ing. (FH) M. Riess, Dipl.-Ing. (FH) R. Kuttler, Dipl.-Ing. (FH) S.
Held
Einleitung
Der Telekommunikationsmarkt erfährt seit einigen Jahren eine immer stürmischere Entwicklung. Durch den
rapiden Preisverfall in der Halbleitertechnik, einhergehend mit einer Verdoppelung der Leistungsfähigkeit
mikroelektronischer Bauteile etwa alle 18 Monate, sinken die Kosten zum Anschluß bestehender
Computersysteme an das globale Telekommunikationsnetz. Firmen aber auch Privatpersonen können daher
immer kostengünstiger an der modernen Telekommunikationsgesellschaft teilnehmen. Derzeit wächst nach einer
Studie der amerikanischen Telephongesellschaft MCI/Worldcom der Datenverkehr mit 300% pro Jahr, während
die herkömmliche Sprachtelephonie nur mit etwa 5% pro Jahr wächst. In der ersten Hälfte des Jahres 2000 wird
daher der Datenverkehr den Sprachverkehr überholen. Nur der vermehrte Einsatz der optischen
Übertragungstechnik mit ihrer im Vergleich zur Kupfertechnik höheren Übertragungsbandbreite wird zukünftig
diesen Bedarf decken können. Die optische Übertragungstechnik wird bei den zu erwartenden Preisverfall
zukünftig auch in den Zugangsnetzen immer mehr an Bedeutung gewinnen (Abbildung 1).
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Abbildung 1 In zukünftigen Kommunikationssystem kommt die optische Übertragungstechnik in allen
Netzebenen zum Einsatz. Im Kernbereich der Netze ist die optische Übertragungstechnik bereits Standard.
Zukünftig wird sie auch in den Zugangsnetzen immer mehr an Bedeutung gewinnen.
Eine besonders wirtschaftliche Lösung stellt der Einsatz hierarchisch organisierter Netzstrukturen in Form
passiver optischer Netze (PON) dar. Diese Netze sind so dimensioniert, daß auf eine interne Signalverstärkung
verzichtet werden kann. Zur Sicherstellung der Funktion und der geforderten Übertragungsgüte sind effektive
Meßverfahren zur Qualitätsbewertung notwendig. Ein Meßverfahren zur Bestimmung des Zustandes, der
Fehlerlokalisation und Qualitätssicherung der Übertragungsgüte passiver optischer Netze wird hier vorgestellt.
Aufbau passiver optischer Netze
Die optischen Übertragungstechnik ermöglicht die Realisierung von Netzen, die auf eine interne
Signalverstärkung und Signalregeneration verzichten können. Man nennt solche Netze passive optische Netze
(PON). Die dabei üblicherweise verwendeten Netztopologien sind hierarchisch angeordnete Sternnetze ( =
Baumnetz). Dabei wird eine Stammleitung im Verteilknoten auf N-Teilnehmer bzw. N-weitere Verteilknoten
aufgeteilt. Ein Baumnetz entsteht dann, wenn mehrere Verteilknoten hierarchisch gegliedert sind (Abbildung 2).
Bild: Netztopologie>
Abbildung 2 Die Topologie passiver optische Netze (PON) ist in der Regel eine Baumstruktur. Die Anzahl der
Hirarchieebenen wird nur durch die Gesamtdämpfung in einzelnen Anschlußzweigen begrenzt.
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Meßverfahren in der optischen Übertragungstechnik
In der optische Übertragungstechnik hat sich das sogenannte OTDR-Verfahren (optical time domain
reflectometry) als eines der wichtigsten Meßverfahren herausgestellt. Es handelt sich um eine optische ImpulsEcho-Methode (Abbildung 3), bei der ein in den Lichtwellenleiter (LWL) eingekoppelter Lichtimpuls an
materialbedingten nicht vermeidbaren Inhomogenitäten der Glasfaser über die gesamte Länge der Faser
anteilsmäßig zurückgestreut wird. An Fehlstellen (Faserbrüche) und Verbindungselementen (Steckverbinder,
Spleiße) treten zusätzliche Reflexionen und Dämpfungssprünge auf.
Diese Rückstreu- und Reflexionssignale können senderseitig detektiert werden. Der Kurvenverlauf einer solchen
Messung gibt Aufschluß über den Verlauf der Dämpfung entlang der Faser. Spitzen und Stufen in dieser
Meßkurve ermöglichen die Lokalisation von Reflexionsstellen (Steckverbindungen, Spleiße, Faserbruchstellen)
und Bereichen erhöhter Dämpfung.
Abbildung 3 Prinzip des OTDR-Meßverfahrens (optische Zeitbereichsreflektometrie)
In reinen Punkt-zu-Punkt-Übertragungsstrecken ist die Interpretation einer OTDR-Messung unproblematisch.
Führt man diese Messung in verzweigten Netzen durch, dann überlagern sich die Rückstreu- und
Reflexionsanteile der einzelnen Abzweigleitungen, wodurch die Interpretation erschwert wird bzw. völlig
unmöglich ist.
Meßmethoden mit völliger bzw. teilweiser Netzabschaltung
Die einfachste Lösung ist dann gegeben, wenn die Nachrichtenübertragung gestoppt wird und die einzelnen
Abzweigleitungen vom Verteiler abgekoppelt werden. Dann können alle Abzweigleitungen einzeln mit dem
OTDR in Richtung zum Empfänger mit dem OTDR gemessen werden.
Es kann auch von der Empfängerseite aus in Rückrichtung gemessen werden.
Ein großer Nachteil dieser Verfahren ist es, daß die Kontrolle des Netzzustandes vor Ort erfolgen muß und daher
mit einem erheblichen Aufwand verbunden ist.
Dies kann umgangen werden, wenn im Verteilknoten ein fernsteuerbarer optischer Schalter installiert wird um
die Abzweigleitungen einzeln auf die Meßleitung zu schalten. Dies ermöglicht die senderseitige Durchführung
der Messung.
Bei diesen Verfahren steht jedoch das Netz teilweise oder vollständig für die Datenübertragung nicht zur
Verfügung.
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Wellenlängenspezifische Verfahren
Durch Einfügung wellenlängenselektiver optischer Bauteile (dichroistische Filter, Faser-Bragg-Gitter usw.)
und/oder Beschränkung der OTDR-Messung auf einen reservierten Meßwellenlängenbereich, können OTDRMessungen auch im Betrieb eines optischen Netzes durchgeführt werden. Diese Verfahren bilden somit die Basis
zur Realisierung von Netzwerkmanagementfunktionen in PONs. Bisher wird für diese Verfahren vor allem der
Wellenlängenbereich um 1620 nm genutzt.
Die Vielzahl möglicher Meßverfahren zur Kontrolle von passiven optischen Netzen sind in [1] näher
beschrieben.
Die genannten Lösungsmöglichkeiten zur Messung passiver optischer Netze sind noch nicht zufriedenstellend,
da entweder ein Teil des Netzes abgeschaltet werden muß bzw. eine OTDR-Messungen in einem
Wellenlängenbereich vergenommen wird der sehr weit von dem Wellenlängenbereich der
Übertragungswellenlänge(n) entfernt ist. Wünschenswert und aussagekräftiger sind jedoch Meßmethoden bei
denen die Meßwellenlänge möglichst im Bereich der Übertragungswellenlänge(n) liegt und die außerdem eine
permanente Kontrolle des Netzzustandes ermöglichen, ohne die Verfügbarkeit des Netzes zu beeinträchtigen.
Ein Verfahren das dies erlaubt wird hier vorgestellt.
Vorschlag eines Meßverfahrens zur Implementierung einer senderseitigen Monitorfunktion in passiven
optischen Netzen [2]
An den Enden der Abzweigleitungen eines passiven optischen Netzes werden Faser-Bragg-Gitter (FBG)
identischer Bragg-Wellenlänge eingefügt. Ein Faser-Bragg-Gitter besitzt die Eigenschaft Licht, dessen
Wellenlänge die Bragg-Bedingung des Gitters erfüllt, mit hohen Reflexionsgrad R (bis zu R=99%) zu
reflektieren. Licht dessen Wellenlänge die Bragg-Bedingung nicht erfüllt, kann das Faser-Bragg-Gitter passieren
und erfährt dabei eine in der Regel vernachlässigbare Dämpfung. Diese Eigenschaft der Faser-Bragg-Gitter
ermöglicht die Implementierung wellenlängenselektiver Reflexionsstellen kurz vor den Empfangsstellen der
einzelnen Abzweigleitungen (Abbildung 4).
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Abbildung 4 Aufbau zur Beurteilung des Netzzustandes eines passiven optischen Netzes bei parallel
stattfindender Datenübertragung. Im Allgemeinen unterscheiden sich die Längen der einzelnen
Abzweigleitungen (LWL 1 bis LWL 8), wodurch eine Identifikation ermöglicht wird.
Eingekoppeltes Meßlicht, dessen Wellenlänge den Bragg-Wellenlängen der Gitter genügt, wird mittels eines
optischen Kopplers auf alle Abzweigleitungen geleitet. Die aufgeteilten Pulse durchlaufen die einzelnen
Abzweigleitungen und werden an den Faser-Bragg-Gittern nahezu 100%-ig reflektiert. Sie durchlaufen
daraufhin die Abzweigleitungen in Rückrichtung und werden senderseitig zur Messung ausgekoppelt und
detektiert. In der Regel besitzen die einzelnen Abzweigleitungen unterschiedliche Längen. Für jede
Abzweigleitung ergibt sich ein einzelner Puls im Gesamtsignal. Die Laufzeit der einzelnen Pulse ermöglicht die
Identifizierung der jeweiligen Abzweigleitung. Bei identischen Längen einzelner Abzweigleitungen, bzw. nur
geringen Längenunterschieden ergibt sich eine Überlagerung der einzelnen Pulse. Aus der Signalamplitude kann
dann aber immer noch auf die Anzahl der beteiligten Abzweigleitungen geschlossen werden. Damit die
einzelnen Abzweigleitungen den entsprechenden Pulsen zugeordnet werden können müssen die Längen der
Abzweigleitungen bekannt sein oder einmalig ermittelt werden.
Im laufenden Betrieb des PONs werden Reflexions- und Rückstreumessungen durchgeführt und mit einer zuvor
ermittelten Referenzmessung verglichen. Die Referenzmessung muß dabei das Reflexionsverhalten des Netzes
bei fehlerfreier Funktion des PONs repräsentieren. Weicht eine aktuelle Messung von dieser Referenzmessung
ab, können Änderungen der Übertragungseigenschaften erkannt und auftretende Fehlstellen lokalisiert werden.
Für die Datenübertragung wird Laserlicht mit Wellenlängen ungleich der Bragg-Wellenlänge der Gitter
verwendet. Diese Nachrichtensignale werden daher von den Faser-Bragg-Gittern nicht reflektiert, sondern
erreichen die Empfänger mit vernachlässigbarer Dämpfung. Meßsignal und Datensignal beeinflußen sich in der
Regel nicht gegenseitig. Dieses Verfahren ermöglicht somit eine Messung während des Betriebes des Netzes.
Realisierung
Es wurden zwei passive optische Netze (PON 1 (Abbildung 5), PON 2 (Abbildung 6)) aufgebaut und mit der
vorgeschlagenen Meßmethode untersucht. Beide Netze unterscheiden sich nur in den Längen der einzelnen
Abzweigleitungen, der spektralen Bandbreiten der verwendeten Faser-Bragg-Gitter sowie der Art der
eingesetzten Koppler.
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Abbildung 5 PON 1
Abbildung 6 PON 2
Beschreibung des Meßplatzes
Die Vermessung der optischen Netze erfolgt mit einem modularen Meßplatz. Er ermöglicht die Durchführung
von Rückstreu- und Reflexionsmessungen an optischen Netzen und Übertragungsstrecken. Allerdings ist der
Dynamikbereich des Meßplatzes beschränkt, wodurch Rückstreumessungen nur bedingt durchgeführt werden
können. Das vorgeschlagen Meßverfahren nutzt deshalb vor allem Reflexionssignale zur Bewertung des
Netzzustandes. Der vorhandene Dynamikbereich des Meßplatzes ist dazu ausreichend.
Geräte
Pulsgenerator
Zur Erzeugung der Testsignale wird der Pulsgenerator HP 8110A von Hewlett-Packard verwendet. Seine
Bandbreite von 150 MHz erlaubt die Erzeugung von Pulsen mit einer minimalen Breite von etwa 8ns. Die
minimalen Anstiegs- und Abfallflanke eines Pulses betragen 2ns. Durch diesen 8ns-Puls kann bei OTDRReflexionsmessungen eine Auflösung von etwa 1m erreicht werden. Die Wiederholungsrate muß so eingestellt
sein, daß ein weiterer Lichtpuls erst dann in das Netz eingekoppelt wird, wenn der vorige Puls das PON in beide
Richtungen komplett durchlaufen hat. Dieser Puls wurde auch als Triggersignal gewählt und repräsentiert
gleichzeitig den Bezugspunkt für die Laufzeitmessung und Ermittlung der einzelnen Längen der
Abzweigleitungen. Bei geringeren Abständen einzelner Reflexionsstellen überlagern sich die Amplituden der
reflektierten Pulse. Die Anstiegsflanken erlauben dabei noch eine sicher Trennung und Positionsbestimmung bei
Abständen größer 0,3 m. Bei noch geringeren Abständen ist eine Trennung nicht mehr so einfach möglich.
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Laserquelle
Der verwendete DFB-Laser emittiert Licht der Wellenlänge 1534 nm. Diese Laserdiode wird in eine
Laserdiodenhalterung eingesetzt und mittels einer Laserdiodensteuerung kontrolliert und angesteuert. Der TBias-Modulationseingang der Laserdiodenhalterung ermöglicht die direkte Modulation der Laserquelle mit
Frequenzen von 10 MHz bis zu 1GHz. Durch Temperaturregelung mit einem Peltier-Element kann die
Wellenlänge im Bereich von 1533 nm - 1537 nm justiert werden.
Meßempfänger
Das optische Meßsignal wird mit Hilfe des optisch-elektrischen Wandlers "o/e- Converter Model 310A" von
BCP erfaßt und in ein elektrisches Meßsignal umgewandelt. Das speziell für Laborzwecke konzipierte Gerät
besteht aus drei unabhängigen Baugruppen, die das Signal erfassen, umwandeln und verstärken. Als
Photodetektor kommt eine InGaAs-Avalanche-Photodiode (APD) zum Einsatz, deren minimale Empfindlichkeit
20nW=-47dB beträgt.
Oszilloskop
Das elektrische Meßsignal des Empfängers wird mit einem digitalen Speicheroszilloskop HP 54720A von
Hewlett-Packard angezeigt, digitalisiert und über den IEEE-Bus (HP-IB) einem Steuerrechner zugeführt. Das
modulare Gerät kann durch verschiedene Einschübe an verschiedene Samplingraten angepaßt werden. Das
Grundgerät gibt die maximale Samplingrate (8 Gigasamples/s) vor, die je nach Art der Einschübe auf bis zu vier
Kanäle aufgeteilt werden kann. Für die hier durchgeführten Messungen kommen zwei Verstärkereinschübe des
Types HP 54721A mit einem Frequenzumfang von je 1,25 GHz zum Einsatz. Sie erlauben die gleichzeitige
Erfassung von zwei Signalen mit einer maximale Samplingrate von 4 Gigasamples/s.
Rechner
Zur Steuerung des Rückstreu- und Reflexionsmeßplatzes wird ein Pentium-PC eingesetzt. Die Steuerung des
Oszilloskops erfolgt mit Hilfe eines in HP-VEE geschriebenem Steuerungs- und Auswertprogramms. Die
Anbindung des Oszilloskops erfolgt über den IEEE-Busstandard 488.2 (HB-IB).
Optische Komponenten
In beiden Netzen (PON1, PON 2) werden Standard-Singlemode Fasern der Firma Siecor verwendet. Sie besitzen
bei der Meßwellenlänge 1534nm die Brechzahl 1,469±0,001.
Optische Verbindungen einzelner Abschnitte des optischen Netzes werden entweder durch Spleiße oder
Steckverbindungen realisiert. Als optische Steckverbindungen werden vorwiegend FC/APC-Steckverbindungen
(angled physical contact) eingesetzt.
In PON 1 wird ein 2x1- und ein 1x8-Koppler der Firma Corning verwendet. Die eingefügten Faser-Bragg-Gitter
besitzen eine Bragg-Wellenlänge von 1533,7 nm. Die maximale Abweichung einzelner Faser-Bragg-Gitter von
dieser Wellenlänge beträgt 0,15nm. Die spektrale Halbwertsbreite (FWHM full width at half maximum) beträgt
im Mittel 0,25 nm (maximale Abweichung = 0,01 nm).
In PON 2 kommt ein 2x8-Schmelzkoppler der Firma Krone zum Einsatz. Die in diesem Netz eingefügten FaserBragg-Gitter besitzen bei Raumtemperatur eine Bragg-Wellenlänge von 1534,4 nm. Die maximale Abweichung
einzelner Faser-Bragg-Gitter von dieser Wellenlänge beträgt 0,9 nm. Die spektrale Halbwertsbreite (FWHM full
width at half maximum) beträgt im Mittel 1 nm (maximale Abweichung = 0,07 nm). Die maximalen
Reflexionsgrade unterscheiden sich höchstens um 2dB.
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Ergebnisse
Vorbemerkungen
Der Aufbau und die Messung der optischen Netze wurde nach folgendem Ablaufschema durchgeführt:
•Festlegung der Längen der Lichtwellenleiter •Bestimmung der Längen der Lichtwellenleiter mit Hilfe von
OTDR-Messungen bei 1534nm •Anschluß der Faser-Bragg-Gitter an die Lichtwellenleiter •Erneute Bestimmung
der Längen der Lichtwellenleiter anhand der Faser-Bragg-Gitter-Reflexionen bei 1534nm •Sukzessiver Anschluß
der mit den Faser-Bragg-Gitter versehenen Lichtwellenleiter an den 1x8-Koppler(PON 1)/2x8-Koppler (PON 2),
dabei Messung der Faser-Bragg-Gitter-Reflexion(en) der angeschlossen(en) Abzweigleitung(en) (LWL)
Die Umrechnung der Laufzeit in eine Länge erfolgt nach der Gleichung:
mit
c0 : Lichtgeschwindigkeit im Vakuum [m/s]
n : effektive Brechzahl
t : Laufzeit des Pulses [s]
z : Ort längs der Faser [m]
Die Intensitäten der reflektierten Pulse sind sehr gering und von einem relativ hohen Rauschanteil überlagert.
Durch Mittelung mehrere Messungen kann das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert werden. Bei den hier
durchgeführten Messungen wurden 4096 Einzelmessungen gemittelt. Das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert
sich dadurch um etwa 18 dB. Eine Umrechnung der gemessenen Intensität der reflektierten Pulse in dB muß das
Übertragungsverhalten des Empfängers berücksichtigen.
Es gilt:
PD : optische Leistung am Detektor [dBm]
DU : gemessene Spannungsamplitude [V; mV]
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Die aufgebauten optischen Netze
Im Vorfeld der Messungen werden die Längen der Abzweigleitungen der passiven optischen Netze festgelegt.
Sie dienen später zu Identifizierung der einzelnen Abzweigleitungen. Es wird darauf geachtet, daß die
Längenunterschiede der Abzweigleitungen in beiden passiven optischen Netzen in der gleichen Größenordnung
liegen. Dies ermöglicht einen einfacheren direkten Vergleich der Meßergebnisse.
Folgende Längenunterschiede der einzelnen Abzweigleitungen wurden festgelegt:
Abzweigleitung
1
2
3
4
5
6
Längenunterschied
0m -20m -5m
-5m 0m -10m
zur vorigen
Abzweigleitung
Tabelle 1 Längenunterschiede der einzelnen Abzweigleitungen
7
-10m
8
-20m
Nach Aufbau der optischen Netze ergaben sich folgende Längen der Abzweigleitungen:
PON 1
Lichtwellenleiter
1
2
3
Länge bei l=1534 nm [m]
12 895,0 12 871,7 12 863,0
Tabelle 2 Längen inklusive Vorlaufstrecke (etwa 25m)
4
12 860,6
5
12858,6
6
12 848,5
7
12 839,5
8
12 820,6
(PON 1 wurde bereits vor Verfügbarkeit des DFB-Laser (1534 nm) aufgebaut. Da die Abzweigleitungen direkt
an die Kopplerausgänge gespleißt wurden, konnten die Kopplerausgänge nicht mehr wie in PON 2 als
Referenzposition zur Längenbestimmung der einzelnen Abzweigleitungen herangezogen werden. Daher sind bei
PON 1 die Längen inklusive der Vorlaufstrecke angegeben.)
PON 2
Lichtwellenleiter
1
2
3
4
5
6
7
8
Länge bei l=1534 nm [m]
12 865,9 12 844,8 12 839,7 12 835,2 12 835,1 12 825,0 12 815,1 12 795,5
Tabelle 3 Längen der Abzweigleitungen ab jeweiligen Kopplerausgang, d.h. ohne Vorlaufstrecke (etwa 25m)
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Die theoretische Gesamtdämpfung, die der eingekoppelte Lichtpuls erfährt, variiert aufgrund der verschiedenen
Gesamtdämpfungen der einzelnen Abzweigleitungen und der unterschiedlichen Reflexionsgrade der FaserBragg-Gitter. Im Mittel wird ein eingekoppelter Puls theoretisch um 35 dB gedämpft. Die maximale
Abweichung der Gesamtdämpfung einzelner Abzweigleitungen beträgt etwa ±2 dB. Die tatsächlich
gemessenen Dämpfung ist in der Regel um 10 dB kleiner und hängt davon ab wie gut die Meßwellenlänge mit
der Bragg-Wellenlänge der Gitter übereinstimmt.
Die Messung aller angeschlossenen Abzweigleitungen führt zu den in Abbildung 7, 8 gezeigten Ergebnissen.
Abbildung 7 Meßergebnis der Reflexionsmessung an PON 1
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Abbildung 8 Meßergebnis der Reflexionsmessung an PON 2
Abbildung 9 Meßergebnis der Reflexionsmessung an PON 2 (Abzweigleitung 5,4 und 3 vergrößert)
Vergleich PON 1 und PON 2
Da die Längen der Abzweigleitungen bekannt sind, können die Pulse den entsprechenden Abzweigleitungen
zugeordnet werden. In beiden PONs konnten so alle Abzweigleitungen mit Hilfe der Pulslaufzeiten identifiziert
werden. Während in PON 1 alle Abzweigleitungen unterschiedliche Längen aufweisen und somit getrennte
Reflexionspulse auftreten, besitzen zwei der acht Abzweigleitungen in PON 2 nur einen Längenunterschied von
etwa einem halben Meter. Die Reflexionspulse beider Abzweigleitungen überlagern sich deshalb. Die
Anstiegsflanke ermöglicht jedoch auch noch die Trennung dieser Pulse. Bei identischen Längen der
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Abzweigleitungen müssen neben den Pulslaufzeit auch noch die Amplituden der reflektierten Pulse
berücksichtigt werden. Hier ergibt sich das Problem unterschiedlicher Dämpfungen in den einzelnen
Abzweigleitungen, sowie dem wellenlängenabhängigen Reflexionsverhalten der Faser-Bragg-Gitter. Die
einzelnen Amplituden der Reflexionspulse sind nicht ohne weiteres vergleichbar. Die durch die optischen
Komponenten (Faser, Spleiße, Koppler) verursachten Dämpfungsunterschiede lassen sich noch herausrechnen,
jedoch führt das wellenlängenabhängige Reflexionsverhalten der Faser-Bragg-Gitter zu schwer interpretierbaren
Amplitudenwerten. Eine Verbesserung dieser Interpretationsfähigkeit ist denn gegeben, wenn die Faser-BraggGitter identische Parameter hinsichtlich maximaler Reflexion und Mittelwellenlänge aufweisen. In PON 2 ist die
Wellenlängenabhängikeit der Faser-Bragg-Gitter vor allem am Reflexionspuls der Abzweigleitung 6 erkennbar.
Die Meßwellenlänge stimmt bei dem hier eingesetzten Faser-Bragg-Gitter nicht mit der Bragg-Wellenlänge des
Faser-Bragg-Gitters überein, wodurch nur ein sehr geringer Anteil des Meßpulses zurückreflektiert wird. Der
Hauptanteil passiert das Faser-Bragg-Gitter und würde bei einer Datenübertragung den Empfänger stören. Eine
hier nicht gezeigte aber dennoch durchgeführte Messung des Transmissionsverhaltens bestätigte diese Annahme.
Zusätzlich ist diesem Puls eine weitere Schwingung überlagert, welche eine Amplitudenbestimmung erschwert.
Eine ähnliche überlagerte Schwingung tritt im Überlagerungsbereich zweier Reflexionsstellen auf. Die Ursache
diese Verhalten ist noch nicht abschließend geklärt.
Aus den Meßergebnissen von PON 1 und PON 2 ergeben sich folgende Randbedingungen:
•Die Laserquelle des Meßsignals muß eine spektrale Halbwertsbreite (FWHM) aufweisen, die höchstens einem
Drittel der spektralen Halbwertsbreite der Faser-Bragg-Gitter entspricht. Günstiger ist es, wenn sie ein Fünftel
beträgt. Dies stellt sicher, daß alle Wellenlängenanteile des Lasers, bei entsprechender Einstellung des
emittierten Wellenlängenbereichs, von den Faser-Bragg-Gitter reflektiert werden. Ist dies nicht der Fall, treten
im reflektierten Meßpuls unerwünschte Schwingungen auf, die vor allem bei teilweise überlagerten
Reflexionspulsen, die Erkennung der jeweiligen Anstiegsflanken erschweren und die Bestimmung der
Reflexionsintensitäten unmöglich machen.
•Die Faser-Bragg-Gitter müssen eine spektrale Halbwertsbreite (FWHM) aufweisen, die mindestens 3-5 mal
größer ist als die Halbwertsbreite der Laserquelle. Die Wellenlänge des Maximums der Laserquelle und der
Faser-Bragg-Gittern sollten möglichst identisch sein. Dies garantiert, daß alle Wellenlängenanteile des Lasers
von den Faser-Bragg-Gittern reflektiert werden und das reflektierte Signal keine unerwünschten Schwingungen
aufweist. Ebenso sollten die Faser-Bragg-Gitter untereinander möglichst identisch sein, das heißt ihr Spektrum
und dabei insbesondere die Wellenlängen der Maxima sollten möglichst dicht beieinander liegen. Die
Abweichungen müssen so klein bleiben, daß für alle Faser-Bragg-Gitter sichergestellt ist, daß alle
Wellenlängenanteile der Laserquelle innerhalb der spektralen Bandbreite der Faser-Bragg-Gitter liegen.
•Die Bragg-Wellenlänge eines Faser-Bragg-Gitters ist in geringem Maße von der Temperatur abhängig. Sollte
diese Temperaturabhängigkeit in der Praxis zu einer Verschiebung der Bragg-Wellenlänge eines Faser-BraggGitters führen und dadurch das Meßverfahren negativ beeinflußt werden, besteht die Möglichkeit Faser-BraggGitter mit einer thermischen Schutzummantelung zu verwenden. Diese speziellen Ummantelungen bestehen aus
Kunststoffen die einen im Vergleich zur Glasfaser entgegengesetzten Wäremeausdehnungskoeffizienten
besitzen. Bei einer Temperaturänderung führt dies dazu, daß die thermische Längenänderung ausgeglichen wird.
Die Bragg-Wellenlänge eines Faser-Bragg-Gitters mit einer solchen Ummantelung ist über einen großen
Temperaturbereich unabhängig von thermischen Einflüssen.
Zusammenfassung
Auf eindrucksvolle Weise konnte die prinzipielle Machbarkeit des vorgeschlagenen Meßverfahrens gezeigt
werden. Anhand der Laufzeit der reflektierten Pulse können die einzelnen Abzweigleitungen identifiziert
werden. Reflexionsstellen können mit der vorgestellten Methode bei bekannter Brechzahl auf 0,3m genau
bestimmt werden. Eine gesicherte Bewertung der Übertragungsgüte ist allerdings noch nicht gegeben. Ursache
dafür sind zum einen die unterschiedlichen Halbwertsbreiten, Bragg-Wellenlängen und Reflexionsgrade der
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Faser-Bragg-Gitter untereinander sowie der unterschiedlichen Dämpfung der andern Komponenten in den
einzelnen Abzweigleitungen (Kopplerdämpfung, Spleißdämpfung....). Wenn diese Werte exakt bekannt wären,
könnten diese aber bei der Amplitudenbewertung berücksichtigt werden. Eine Gütebewertung des PON wäre so
möglich. Die Effekte einer zusätzlich überlagerten Schwingung in überlagerten Reflexionspulsen und bei
Reflexionspulsen nur teilweiser getroffener Gitter (Übereinstimung von Meßwellenlänge und BraggWellenlänge) werden momentan noch näher untersucht. Ziel ist es die Auswertung auch in diesem Fall möglich
zu machen.
Ausblick
Ziel der weiteren Arbeiten wird die Verbesserung des Verfahrens sein. So ist momentan angedacht durch
Methoden der digitalen Signalverarbeitung (FFT, Hilbert-Transformation, Impulskompression ....) die
erreichbare Ortsauflösung weiter zu steigern (bis 0,01m und besser). Gegebenenfalls sind auch die
meßtechnischen Anforderung an die Signalerfassung minimierbar. Geeignete Signalverarbeitungsverfahren
könnten ferner eine aussagekräftigere Amplitudenbewertung möglich machen. Daneben steht der Aufbau eines
Demonstrators an, um die Einflüsse der Messung auf eine gleichzeitig stattfindende Datenübertragung zu
ermitteln. Insbesondere müssen dazu die Bitfehlerraten bei unterschiedlichen Übertragungsraten ermittelt
werden.
Da dieses Meßverfahren seine Vorteile vor allem in WDM-Übertragunssystemen ausreizen kann, wäre es
interessant, welche zusätzlichen Effekte in WDM-Systemen auftreten.
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