اسپلیتر فیبر نوری رکمونت برای شبکه‌های فیبر نوری (FTTH) با توزیع یکنواخت فیبر
تقسیم‌کننده فیبر نوری یک جزء غیرفعال اصلی در شبکه‌های ارتباطی نوری است و ویژگی‌های پارامترهای آن مستقیماً کارایی و پایداری توزیع سیگنال نوری را تعیین می‌کند. در ادامه، تجزیه و تحلیل دقیقی از ابعاد پارامترهای فنی، فرآیندهای تولید، سناریوهای کاربردی و استانداردهای صنعتی ارائه شده است.
I. تحلیل پارامترهای نوری هسته
۱. افت ورودی
· تعریف: تضعیف توان یک سیگنال نوری در انتهای خروجی نسبت به انتهای ورودی پس از عبور از یک تقسیم‌کننده، که به صورت \(A_i = -10\ال جی(P_{\متن{بیرون}_i}/P_{\متن{در}})\) محاسبه می‌شود.
· ویژگی‌های عددی:
· تأثیر نسبت تقسیم: هرچه تعداد تقسیم‌ها بیشتر باشد، تلفات بیشتر است. برای مثال، یک تقسیم‌کننده ۱×۲ معمولاً تلفاتی حدود ۳.۷ دسی‌بل دارد، در حالی که یک تقسیم‌کننده ۱×۶۴ می‌تواند به ۱۹.۵ دسی‌بل برسد.
· تفاوت‌های فرآیند: تلفات یک اسپلیتر 1×2 مخروطی دو مخروطی ذوبی (اف بی تی) حدود 3.4 دسی‌بل و تلفات متوسط یک اسپلیتر 1×64 مدار موج نوری مسطح (پی ال سی) 16.6 دسی‌بل است.
· محاسبه مهندسی: در یک شبکه او دی ان، بودجه بندی توان باید تلفات فیبر (0.35dB/کیلومتر)، تلفات کانکتور (0.1-0.3dB) و حاشیه نوری (1dB) را در نظر بگیرد. به عنوان مثال، هنگامی که از یک اسپلیتر 1×32 برای انتقال 20 کیلومتری استفاده می‌شود، کل تلفات باید در محدوده 28dB کنترل شود.
۲. ضرر اضافی
· تعریف: تفاوت بین مجموع توان تمام پایانه‌های خروجی و توان پایانه ورودی، که نشان‌دهنده نقص‌های فرآیند تولید است.
· مقادیر معمول:
· برای یک اسپلیتر ۱×۲، ≤۰.۲dB و برای یک اسپلیتر ۱×۱۶، ≤۱.۲dB است.
· تلفات اضافی نوع اف بی تی کمتر از نوع پی ال سی است؛ برای مثال، تلفات اضافی یک اسپلیتر اف بی تی 1×2 ≤0.1dB است.
· عوامل مؤثر: دقت جوش فیبر، نقص تراشه موجبر و غیره، مستقیماً بر پایداری بلندمدت سیستم تأثیر می‌گذارند.
۳. نسبت تقسیم
· طبقه‌بندی:
· تقسیم یکنواخت: نوع پی ال سی عمدتاً 50:50 است و نوع اف بی تی را می‌توان با نسبت‌های نابرابر (مانند 10:90) سفارشی کرد.
· حساسیت به طول موج: نسبت تقسیم یک تقسیم‌کننده‌ی یکسان در طول موج‌های ۱۳۱۰ نانومتر و ۱۵۵۰ نانومتر ممکن است به طور قابل توجهی متفاوت باشد (مثلاً از ۵۰:۵۰ تا ۷۰:۳۰).
· مورد کاربرد: در یک شبکه فیبر نوری (FTTH)، یک تقسیم‌کننده 1×64 از 32 خانوار برای اشتراک‌گذاری پهنای باند پشتیبانی می‌کند، با حداکثر پهنای باند تک‌کاربره تقریباً 156 مگابیت در ثانیه (نرخ همزمانی 50٪).
۴. ضرر بازگشتی
· تعریف: نسبت توان نور بازتاب شده به توان نور تابشی. تلفات بازگشتی بالا می‌تواند تداخل سیگنال را کاهش دهد.
· الزامات استاندارد:
· رابط ای پی سی ≥55dB، رابط یو پی سی ≥50dB.
· تلفات بازگشتی اسپلیترهای پی ال سی عموماً بهتر از اسپلیترهای اف بی تی است و همین امر آنها را برای سناریوهای انتقال داده با سرعت بالا مناسب می‌کند.
۵. تلفات وابسته به قطبش (پی دی ال)
· تعریف: نوسان تلفات عبوری ناشی از تغییرات در حالت قطبش سیگنال نوری، بر حسب دسی‌بل.
· مقایسه عملکرد:
· نوع اف بی تی پی دی ال ≤0.15dB، نوع پی ال سی ≤0.2dB.
پی دی ال پایین برای سیستم‌های ارتباط نوری منسجم (مانند 100G پون) بسیار مهم است تا از تأثیر پراکندگی حالت قطبش (پی ام دی) جلوگیری شود.
دوم. خواص فیزیکی کلیدی و سازگاری با محیط زیست
۱. یکنواختی تلفات
· تعریف: حداکثر اختلاف در تلفات الحاقی بین پورت‌های خروجی.
· مقادیر معمول:
· نوع پی ال سی 1×2 ≤0.4dB، نوع 1×64 ≤2.5dB.
یکنواختی نوع اف بی تی ضعیف است و اختلاف بین اسپلیترهای ۱×۸ می‌تواند به ۱.۵ دسی‌بل برسد.
· تأثیر کاربرد: در سیستم‌های پون، یکنواختی مستقیماً بر ثبات کیفیت سیگنال در بین چندین کاربر تأثیر می‌گذارد.
۲. تلفات وابسته به طول موج (WDL)
· تعریف: میزان تغییر تلفات عبوری با طول موج، بر حسب دسی‌بل/نانومتر.
· تفاوت‌های فرآیند:
· نوع پی ال سی WDL ≤0.8dB (1×64)، نوع اف بی تی به دلیل حساسیت فرآیند فیوژن به طول موج، WDL بالایی دارد.
· سناریوهای قابل اجرا: پخش سه‌گانه (صدا، داده، تصویر) نیاز به پشتیبانی از طول موج گسترده (1260-1650 نانومتر) دارد و نوع پی ال سی مزایای بیشتری دارد.
۳. تلفات وابسته به دما (تی دی ال)
· تعریف: نوسان تلفات الحاقی ناشی از تغییرات دما، بر حسب دسی‌بل بر درجه سانتیگراد.
· شاخص‌های عملکرد:
· در محدوده -40℃~85℃، تی دی ال نوع پی ال سی 1×2 برابر با ≤0.5dB و نوع 1×64 برابر با ≤1.0dB است.
· به دلیل تفاوت در ضرایب انبساط حرارتی مواد، تی دی ال نوع اف بی تی معمولاً بیشتر از نوع پی ال سی است.
· پاسخ مهندسی: برای مقابله با فرسودگی فیبر و نوسانات دما، باید حاشیه توان نوری 3 دسی‌بل برای استقرار در فضای باز در نظر گرفته شود.
۴. جهت‌دهی
· تعریف: میزان نشت نور از درگاه‌های غیر خروجی، بر حسب دسی‌بل.
· الزامات استاندارد: ≥55dB. جهت‌گیری بالا می‌تواند تداخل را کاهش دهد و برای سیستم‌های مالتی‌پلکس تقسیم طول موج متراکم (دی‌دبلیو‌دی‌ام) مناسب است.
سوم. فرآیندهای تولید و همبستگی پارامترها
۱. مخروط دو مخروطی ذوب‌شده (اف بی تی)
· ویژگی‌های فرآیند:
· شکافتن با ذوب و کشش الیاف در دمای بالا، با هزینه کم اما یکنواختی ضعیف حاصل می‌شود.
· از تقسیم نابرابر (مانند 5%:95%) پشتیبانی می‌کند، اما حساسیت طول موج قابل توجهی دارد.
· محدودیت‌های پارامتر:
اختلاف یکنواختی تلفات ورودی در اسپلیترهای ۱×۸ می‌تواند به ۱.۵ دسی‌بل برسد و پایداری دمایی ضعیف است.
· سناریوهای کاربردی: مناسب برای تقسیم‌بندی کم‌هزینه و مرتبه پایین (زیر 1×8)، مانند انتقال داده مستقل یا شبکه‌های CATV.
۲. مدار موج نوری مسطح (پی ال سی)
· ویژگی‌های فرآیند:
موجبرها با استفاده از فناوری لیتوگرافی، با یکنواختی تقسیم بالا (±1%)، روی یک تراشه مبتنی بر سیلیکون مجتمع شده‌اند.
· پشتیبانی از تقسیم‌بندی مرتبه بالا (1×64) و طیف وسیعی از طول موج (1260-1650nm).
· مزایای پارامتر:
· تلفات وابسته به قطبش (پی دی ال) ≤0.2dB، با پایداری دمایی عالی.
سناریوهای کاربردی: فیبر نوری (FTTH)، شبکه‌های فرونتهال 5G و سایر سناریوهایی که نیاز به قابلیت اطمینان بالا و پشتیبانی از طول موج گسترده دارند.
۳. انواع دیگر
· سیستم میکروالکترومکانیکی (سیستم‌های میکرو الکترومکانیکی (MEMS)): تقسیم پویا را از طریق آرایه‌های میکروآینه انجام می‌دهد، مناسب برای شبکه‌های نوری قابل تنظیم اما با هزینه بالا.
· پی ال سی سیلیکون فوتونیک: با استفاده از فناوری سیماس تولید می‌شود، می‌تواند عملکردهای بیشتری (مانند فیلترها) را ادغام کند و انتظار می‌رود در آینده هزینه‌ها را بیشتر کاهش دهد.
چهارم. پارامترهای مکانیکی و محیطی
۱. انواع پورت و بسته‌بندی
· انواع رابط:
· اس سی/ای پی سی (ضد انعکاس) برای CATV، ال سی برای مراکز داده با تراکم بالا و اف سی برای سناریوهای پایداری مکانیکی بالا استفاده می‌شود.
· فرم‌های بسته‌بندی:
نوع جعبه‌ای (100×80×10 میلی‌متر) برای کابینت‌های اتصال متقابل کابل نوری در فضای باز مناسب است و نوع رکمونت 19 اینچی از مدیریت متمرکز پشتیبانی می‌کند.
· طراحی قابل اتصال (همانطور که در خلاصه 9 توضیح داده شد) از نصب با چگالی بالا پشتیبانی می‌کند و حلقه دسته و فنر قفل کننده، تعمیر و نگهداری را ساده می‌کند.
۲. اندازه و وزن
· مقادیر معمول:
یک اسپلیتر پی ال سی با ابعاد ۱×۶۴ تقریباً ابعادی معادل ۶۰×۱۲×۴ میلی‌متر و وزنی معادل ۵۰ گرم یا کمتر دارد.
· اسپلیتر اف بی تی 1×8 به دلیل نیاز به محافظت از ناحیه مخروطی ذوب شده، حجم بزرگتری (100×80×10mm) دارد.
۳. قابلیت اطمینان محیطی
· استانداردهای آزمایش:
· باید گواهینامه تلکوردیا جی آر-1209/1221، شامل چرخه دمایی (-40℃~85℃)، رطوبت (85% آر اچ)، ارتعاش (5-500Hz) و سایر آزمایش‌ها را با موفقیت پشت سر بگذارد.
نوع مخروطی دو مخروطی ذوب شده در محدوده -20℃~70℃ پایدار است و نوع پی ال سی تا -40℃~85℃ قابل توسعه است.
V. سناریوهای کاربردی و انتخاب پارامتر
۱. فیبر تا خانه (فیبر نوری (FTTH))
· پارامترهای کلیدی:
· تقسیم مرتبه بالا (1×64) نیاز به تلفات عبوری ≤17dB و نوسان دما <0.5dB دارد.
· نوع پی ال سی را برای اطمینان از یکنواختی (نسبت تقسیم ±1٪) و پایداری طولانی مدت انتخاب کنید.
۲. مراکز داده
· پارامترهای کلیدی:
· تلفات بازگشتی کم (≥55dB) و جهت‌گیری بالا (≥55dB) برای کاهش تداخل بازتاب نور در سیگنال‌های پرسرعت.
رابط ال سی از سیم‌کشی با چگالی بالا پشتیبانی می‌کند و بسته‌بندی قابل اتصال آن برای نگهداری راحت است.
۳. شبکه‌های 5G فرونتهال
· پارامترهای کلیدی:
· پشتیبانی از نرخ‌های 25G/50G، پی دی ال ≤0.2dB برای جلوگیری از پراکندگی حالت قطبش.
· اسپلیترهای تک فیبر دو جهته (بی دی) استفاده از فیبر را کاهش می‌دهند و به ایزولاسیون طول موج ≥30dB نیاز دارند.
۴. تلویزیون کابلی (CATV)
· پارامترهای کلیدی:
· تلفات بازگشتی بالا (رابط ای پی سی ≥55dB) و پشتیبانی از طول موج وسیع (1550nm) برای کاهش انعکاس سیگنال و تداخل.
· نوع اف بی تی به دلیل هزینه پایین و هدف گیری طول موج قوی (مانند 1550nm) به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد.
ششم. استانداردهای صنعتی و روش‌های آزمایش
۱. استانداردهای بین‌المللی
· تلکوردیا جی آر-1209: شاخص‌های عملکرد، از جمله تلفات ورودی (≤4.0dB برای 1×2)، تلفات بازگشتی (≥50dB) و غیره را تعریف می‌کند.
· تلکوردیا جی آر-1221: تست‌های قابلیت اطمینان، مانند چرخه دمایی (-40℃~85℃، 100 بار)، شوک مکانیکی (50 گرم) و غیره را مشخص می‌کند.
۲. روش‌های آزمایش
· تست افت ورودی: از یک توان‌سنج نوری برای مقایسه توان ورودی و خروجی استفاده کنید، که باید در طول موج‌های مختلف مانند ۱۳۱۰ نانومتر، ۱۴۹۰ نانومتر و ۱۵۵۰ نانومتر تأیید شود.
· تست پی دی ال: تغییر وضعیت قطبش سیگنال نوری از طریق یک کنترل کننده قطبش و اندازه گیری محدوده نوسان تلفات.
· آزمون یکنواختی: افت عبوری را پورت به پورت اندازه‌گیری کرده و اختلاف بین حداکثر و حداقل مقادیر را محاسبه کنید.
هفتم. روندهای توسعه آینده
۱. ادغام فوتونیک سیلیکونی: تقسیم‌کننده‌های پی ال سی مبتنی بر فناوری سیماس، عملکردهای بیشتری (مانند فیلترهای قابل تنظیم) را برای کاهش هزینه‌ها و بهبود عملکرد ادغام خواهند کرد.
۲. فناوری تقسیم پویا: سیستم‌های میکرو الکترومکانیکی (MEMS) یا تقسیم‌کننده‌های پی ال سی قابل تنظیم از نظر حرارتی-نوری، از پیکربندی شبکه نوری انعطاف‌پذیر پشتیبانی می‌کنند تا الزامات پهنای باند پویای 5G و محاسبات ابری را برآورده سازند.
۳. طراحی سبز و صرفه‌جویی در مصرف انرژی: استفاده از مواد بسته‌بندی کم‌مصرف (مانند سرامیک) الزامات اتلاف گرما را برای استقرار در فضای باز کاهش می‌دهد.
خلاصه
ویژگی‌های پارامترهای تقسیم‌کننده‌های فیبر نوری باید به طور جامع از عملکرد نوری، سازگاری با محیط، فرآیندهای تولید و سناریوهای کاربردی در نظر گرفته شود. نوع پی ال سی به دلیل یکنواختی بالا، پشتیبانی از طول موج گسترده و پایداری، به جریان اصلی تبدیل شده است، در حالی که نوع اف بی تی هنوز در سناریوهای تقسیم کم‌هزینه و نابرابر مزایایی دارد. با رواج 5G و فیبر نوری (FTTH)، تقسیم‌کننده‌ها به سمت مرتبه بالاتر، تلفات کمتر و هوشمندی توسعه خواهند یافت، در حالی که استانداردهای سختگیرانه‌تر صنعت (مانند تلکوردیا جی آر-1209/1221) را برآورده می‌کنند. در طراحی مهندسی، ترکیبات پارامترها باید مطابق با سناریوهای خاص (مانند فاصله انتقال، الزامات پهنای باند) بهینه شوند تا قابلیت اطمینان و اقتصاد شبکه نوری تضمین شود.
