Оптические разветвители в сетях доступа

Доступная статья о применении оптических разветвителей в пассивных оптических сетях и сетях кабельного телевидения. Рассмотрены конструкции, параметры, технологии изготовления, сравнительные характеристики различных типов, а также даны рекомендации по использованию разветвителей.

1. Типы разветвителей и их применение

2. Технологии изготовления

3. Конструкции и маркировка разветвителей

4. Параметры и характеристики

5. Выбор разветвителя для проектирования PON

Два безупречно круглых углубления  разделены
носом, который  вверху разветвляется,
переходя в  охватывающие глаза брови.

Тур Хейердал. Приключения одной теории 

1. Типы разветвителей и их применение
В связи с началом широкого внедрения пассивных оптических сетей (PON) значительный интерес вызывают параметры и конструкции оптических разветвителей (ОР). Именно эти элементы придают сети необходимую гибкость архитектуры, масштабируемость, максимальное удовлетворение системным требованиям, экономичность. В принципе ОР уже достаточно длительное время успешно применяется на магистральных участках в сетях кабельного телевидения, там, где необходимо создание разветвленной древовидной архитектуры с равномерным или неравномерным делением оптической мощности. Однако именно при проектировании и инсталляции PON разветвители проявили себя ключевым элементом сети. Подробнее эти вопросы рассмотрим в разделе 5, а пока рассмотрим более основательно «героя» нашей статьи.
Собственно разветвитель представляет собой пассивный оптический многополюсник (n×m) с заданным количеством входных (n) и выходных портов (m). Его задачей является перераспределение энергии, поступающей во входные порты между выходными (см. рис. 1).

Рисунок 1

По своей топологии разветвители делятся на X-образные (простейший 2х2) и Y-образные (простейший 1х2). Более часто используются Y-образные ОР, которые еще иногда называют делителями мощности. Последние в свою очередь делятся на симметричные, в которых мощность делится равномерно между всеми выходными портами, и несимметричные (направленные), в которых в каждый выходной порт отводится определенная (обычно в %) часть выходной мощности. В англоязычной литературе для симметричных разветвителей чаще используется термин  splitter (разветвитель, разделитель), а для несимметричных -coupler (объединитель). Упрощенно принцип действия разветвителя представлен на рис.2.

Рисунок 2

По своим спектрально-селективным свойствам ОР, применяемые в оптических сетях доступа, делятся на однооконные и двухоконные. Для пропорционального деления мощности в однонаправленных сетях (например, кабельном ТВ) используются однооконные ОР, обеспечивающие заданные параметры передачи только в одном спектральном диапазоне 1310 нм или 1550 нм. При двунаправленной передаче (например, в сетях PON) применяют двухоконные разветвители с примерно равномерной спектральной характеристикой в обоих оптических диапазонах (см. рис. 3).

Рисунок 3

Для того, чтобы правильно выбрать разветвитель для своего проекта и разобраться с системой его параметров необходимо разобраться в вариациях его конструкций, понять принцип их действия, преимущества и недостатки.

2. Технологии изготовления
Первые технологически удачные и экономически приемлемые конструкции оптических разветвителей начали изготавливаться в 1990-х годах методом сплавления отдельных оптических волокон в монолитную конструкцию. Такие конструкции, конструктивно образующие два конуса (при вводе и выводе), получили название сплавных биконических разветвителей (Fused Biconic Taper, FBT). В них используется эффект туннелирования: перетекания части оптической мощности из одного световода в другой через боковую поверхность при их плотном соприкосновении на некотором «участке взаимосвязи» (coupling length) (см. рис. 4).

Рисунок 4

Такая технология, которая и поныне является популярной, включает в себя несколько этапов (см. рис. 5):
1) предварительная очистка защитного покрытия, частичная сошлифовка оболочки и обеспечение плотного контакта, например, скручиванием волокон на заданном участке;
2) закрепление всей конструкции в устройстве, способном обеспечить вытягивание отдельных волокон при последующем нагреве;
3) нагрев участка взаимосвязи электрической дугой (как при сварке волокон) или газовым лазером;
4) контроль мощности в выходных волокнах и одновременное их вытягивание для получения необходимых соотношений деления входной мощности (см. рис. 6).

Рисунок 5

Рисунок 6

Рисунок 7

К относительным недостаткам технологии FBT относятся небольшая точность деления мощности и сложность создания несимметричных делителей с большим количеством выходных портов.
В последние несколько лет активно развивается технология создания планарных разветвителей (Planar Lightwave Circuit, PLC). Такие устройства выполняются методами интегральной оптики. На кремниевой подложке химически осаждаются поочередно слои с материалами сердцевины и оболочки, после чего через маску вытравливается планарный волновод необходимой конфигурации, который также покрывается материалом отражающей оболочки (см. рис. 8). Так формируется планарный волновод с разветвлением (как правило, равномерным) оптической мощности 1:2 (рис. 9). Устройства с большим количеством выходных портов формируются последовательным каскадированием делителей 1:2. В результате образуется практически оптическая микросхема, к которой присоединяются входные и выходные волокна (рис. 10).

Рисунок 8

Рисунок 9

Рисунок 10

В таких конструкциях легче добиться точности деления мощности, а их спектральные характеристики практически не изменяются в широком диапазоне 1260÷1680 нм. Однако из-за круговой несимметричности канала PLC достаточно чувствительны к поляризации излучения, а отражения в местах соединения планарных и волоконных световодов могут быть выше, чем в сварных конструкциях.
Под маркой Cor-X выполняются как сплавные, так и планарные разветвители с широкой номенклатурой номиналов деления, в различном конструктивном исполнении и на самом высоком технологическом уровне.
Более предметно, с учетом существующей системы характеристик, сравним сплавные и планарные разветвители в разделе 5.

3. Конструкции и маркировка разветвителей
Как и всякое электротехническое устройство, ОР может быть подвержен различным механическим, климатическим, химическим и прочим воздействиям. Исходя из предполагаемого способа размещения и условий эксплуатации, конструкции разветвителей делятся на две большие группы: безкорпусные и корпусные.
Безкорпусные сплавные разветвители имеют малогабаритное исполнение и предназначены для установки в соединительных кассетах в посадочное место гильзы для защиты сварного соединения (КДЗС). Сварной модуль устанавливается в защитном металлическом корпусе из инвара (железно-никелевый сплав) или нержавеющей стали. Из корпуса выводятся входные и выходные оптические волокна в защитном эпоксиакрилатном (или уретанакрилатном) покрытии диаметром 250 мкм. Разветвители Cor-X имеют размеры корпуса 3х54 мм и выводы длиной 1,5 м (см. рис. 11). Марка безкорпусного разветвителя FBT включает в себя: тип волокна (S-одномодовое, M-многомодовое), тип деления (1хn), одну или две длины волны (1310 и 1550 нм), на которых нормированы его параметры, процентное соотношение мощности в его выходных волокнах и признак отсутствия разъемных соединителей на концах волокон (0). Например:
CouplerSC-1x2-1310-45/55-0 – безкорпусной одномодовый делитель 1х2, на длину волны 1310 нм, с соотношением деления 45/55 %;
CouplerSC-1x2-1310/1550-30/70-0 – безкорпусной одномодовый делитель 1х2, на длины волн 1310 и 1550 нм, с соотношением деления 30/70 %.

Рисунок 11

При корпусном исполнении конструкция разветвителя помещается в прочный пластиковый корпус, защищающий ОР от механических, климатических и химических воздействий. В корпусах есть сквозные отверстия диаметром 2÷3 мм для крепления к плоской поверхности.
Оптические волокна, выводимые из все портов, имеют защитное покрытие диаметром 0,9 мм (как в пигтейлах) или 3,0 мм (как в патч-кордах) и, как правило, оконцованы оптическими соединителями (коннекторами) различных типов, которые устанавливаются под заказ. Примеры корпусных конструкций с разъемными окончаниями приведены на рис. 12.

Рисунок 12.1

Рисунок 12.2

Рисунок 12.3

Марка корпусного разветвителя FBT дополнительно учитывает диаметр защитной оболочки волокна (0,9 или 3 мм), длину выводов (в метрах), признак наличия разъемных соединителей на концах волокон (2), а также их типы. Например:
Coupler SC-1x8-1310/1550-11/11/12/12/13/13/14/14-0-0.9mm cord 2m - делитель одномодовый 1х8 в компактном корпусе, на длины волн 1310 и 1550 нм, с соотношением деления 11/11/12/12/13/13/14/14 %, с не оконцованными выводами Ø 0,9 мм длиной 2 м;
CouplerSC-1x5-1310-10/15/22/23/30-2-SC/APC - делитель одномодовый 1х5 в компактном корпусе, на длину волны 1310 нм, с соотношением деления 10/15/22/23/30 %, с выводами Ø 3 мм длиной 1 м, оконцованными разъемами SC/APC.
Наличие коннекторов позволяет производить быстрое подключение к ОР оконцованных волокон кабелей и шнуров, производить промежуточные измерения в точках разветвления оптической сети. Однако каждый такой разветвитель за счет двух разъемных соединений уже привнесет в общий оптический бюджет линии потери 0,5 дБ и более. При установке в одной ветке оптической сети 5-6 корпусных разветвителей - затухание в разъемах может стать серьезным фактором ограничения дальности связи. 
Еще одним вариантом конструктивного исполнения разветвителя является многовыводной оптический модуль, предназначенный для горизонтальной установки в 19-ти дюймовой стойке или шкафу. В этом случае ОР в пластиковом корпусе закрепляется в каркасе высотой 1U. Входные и выходные волокна ОР, оконцованные коннекторами, подключаются изнутри к адаптерам (розеткам), установленным на лицевой панели модуля (см. рис. 13). Применение такой конструкции целесообразно при большом количестве выходных портов. Разветвители такого типа Cor-X выпускаются под заказ на требуемое количество выходов и с заданным соотношением деления. Доступны различные типы оптических соединителей: SC; FC; LC и др. Марка многовыводного оптического модуля указывает на возможность его установки в 19-ти дюймовой стойке или шкафу (19). Например:
CouplerSC-1x5-1550-10/15/20/25/30-19-FC/APC - делитель одномодовый 1х5 в 19” 1U корпусе, на длину волны 1550 нм, с соотношением деления 10/15/20/25/30 %, с разъемами типа FC/APC.
Такая конструкция удобна при топологии оптической сети типа «звезда», когда модуль устанавливается в оптическом кроссе станции либо если оптическая магистраль вводится в здание с большим количеством компактно размещенных абонентов.

Разветвители PLC Cor-X могут изготавливаться в мини-корпусе прямоугольного сечения, который легко устанавливается в кассете в держателе защитных гильз. Его размеры минимально составляют 40х3,9х3,2 мм, однако они зависят от количества выводов. В отличие от сплавных ОР, здесь выходные волокна, как правило, формируются в плоскую ленточку (см. рис. 14), поскольку это технологически удобно для данного типа. Маркировка достаточно понятна и похожа на маркировку сплавных разветвителей. Например:
Coupler PLC-1x8-0 - оптический делитель PLC 1х8 в мини-корпусе, выводы выполнены волокном с Ø 0,25 мм длиной 1,5 м.

Рисунок 14

Разветвители PLC Cor-X также могут поставляться в компактном корпусе с выводами в виде волокна 0,9 мм, 2 мм или 3 мм (см. рис. 15). Размеры корпуса зависят от количества выводов и минимально составляют 100x80х10 мм. По желанию заказчика выводы могут быть оконцованы различными типами оптических разъемов с различной полировкой торцов: SC/UPC; SC/APC; FC/UPC; FC/APC; LC/UPC и др. Маркировка может иметь такой вид:
Coupler PLC-1x8--2-SC/UPC-0.9mm cord -оптический делитель PLC 1х8 в компактном корпусе, выводы выполнены волокном Ø 0,9 мм длиной 1,5м и оконцованы разъемами SC/UPC.

Рисунок 15

Остается добавить, что оптические разветвители любых конструкций достаточно удобно могут быть размещены в кассетах для сварных соединений (сплайс-кассеты) муфт или распределительных боксов. Безкорпусные ОР, как уже говорилось, размещаются в посадочных местах защитных гильз, а корпусные крепятся в таких же кассетах или оптических распределительных блоках (Optical Distribution Frame, ODF) с помощью нейлоновых ремешков, стяжек или двусторонней клеящей ленты. В принципе, все корпусные разветвители, используя сквозные отверстия, могут быть прикручены шурупами или винтами к любой плоской поверхности.

В начало

  

4. Параметры и характеристики

Как и всякое пассивное оптическое устройство, ОР имеет системы параметров, которые описаны в международных и региональных стандартах, таких как IEC 60875-1, IEC 61753-2-3, ITU-T Recom. G.671, L.37, EN 181 000, Telcordia GR-1209, Telcordia GR-1221 и некоторых других.
Среди всего разнообразия выделим группу параметров передачи как наиболее важную, поскольку они определяют уровень оптической мощности на входных и выходных портах и, в конце концов, применение данного ОР в оптической сети.
Для пояснения физического смысла параметров передачи выберем простенькую модель ОР Х-типа с равномерным делением 2х2 (см. рис. 16) в порт 1 которого подается оптический сигнал с мощностью Р1. Разветвитель делит его между портами 2 и 3, на которых выделяются мощности Р2 и Р3 соответственно. Однако, из-за неидеальности конструкции ОР, часть мощности отразится и направится в обратном направлении через порты 1 и 4 (Р”1 и Р4 соответственно).

Рисунок 16

В первую очередь ОР характеризуется центральной длиной волны (Central wavelength), как номинальной, на которой он будет работать. В качестве центральной выбирают длину волны 1310 нм или 1550 нм (в однооконных разветвителях) или обе эти длины волны (в двухоконных ОР).
Возле центральной длины волны определяется рабочий диапазон длин волн (Operating wavelength range), в пределах которого передаточные параметры будут соответствовать нормативным значениям. Ширина диапазона длин волн характеризует качество технологии их производства. Обычно серьезные производители определяют для своих ОР диапазон не менее ± 40 нм от центральной длины волны (см. рис. 3).
Напомним, что обычно в системах однонаправленной передачи (вещание) используются однооконные ОР с одной центральной длиной волны 1310 нм или 1550 нм. При двунаправленной системе связи, как правило, используются двухоконные разветвители (1310 и 1550 нм). Такие же конструкции используются в сетях PON. При этом нужно учитывать, что длина волны 1490 нм может иметь несколько отличные параметры, чем указанные для центральной длины волны 1550 нм.
Важнейшим параметром, характеризующим передаточные свойства ОР, являются вносимые потери (Insertion loss), показывающие, насколько затухает сигнал, проходя из входного порта 1 в выходные 2 и 3:

Понятно, что при идеальном делении мощности 1:2 и отсутствии потерь в самом разветвителе, оба параметра IL1-2 и IL1-3 будут равны и составят 3 дБ. Реально же, несколько десятых дБ «съедят» потери в месте разветвления. Нужно также учитывать, что в направленных ОР мощность между выходными портами будет делиться не равномерно, а определяться некоторым коэффициентом деления (Splitting ratio), который показывает процентное деление мощности между выходными портами:

Большинство производителей имеет линейки разветвителей со стандартным рядом с шагом 10%, а иногда и 5%. Часто указывают даже шаг 1%, однако реальная погрешность коэффициента деления таких устройств обычно достаточно велика.
Для симметричных разветвителей такой разброс значений вносимых потерь для разных выходных портов 2 и 3 характеризуется параметром неравномерность потерь (Uniformity):

Неравномерность особенно характерна для сплавных конструкций, что связано с несовершенством самого метода их производства. В любом случае, желательно чтобы разброс потерь на выходных портах не превышал 0,8 дБ.
Общие потери мощности при передаче от входного порта к выходным определяются избыточными потерями (Excess loss).

Такой параметр характеризует технологию сплавления и обычно не превышает 0,1÷0,2 дБ.
При вводе оптической мощности в порт 1 ее часть может отразиться от места перехода и пойти в обратном направлении, ухудшая качество передачи.Коэффициент направленности (Directivity) как раз и показывает, на сколько затухает сигнал, отражаясь и поступая в соседний входной порт 4.

Но отраженная мощность может вернуться и в тот же входной порт 1. Тогда отношение переданной и отраженной мощностей будут определять оптические потери на отражение (Optical Return Loss).

Следует заметить, что в различных статьях этот параметр называют по-разному (обратные потери, возвратные потери, коэффициент отражения, потери на несогласованность и т.п.), но суть остается той же. 
Естественно, чем больше абсолютная величина коэффициента направленности и потерь на отражение, тем лучше технологически выполнен разветвитель. В последнее время большинство производителей достаточно успешно справляются с подавлением отраженного сигнала: оба параметра имеют приемлемую величину – не менее 50-55 дБ.
В связи с тем, что волноводы в конструкции ОР не являются идеально круглыми, затухание проходящего излучения будет зависеть от состояния его поляризации. Поляризационно-зависимые потери (Polarization Dependent Loss) определяются как разность между максимальным и минимальным значением вносимых потерь при различных поворотах плоскости поляризации излучения:

Многие производители делят разветвители по уровню параметров передачи на два класса: 1 и 2 (или А и Б). В качестве примера в таблице 1 приводятся типичные значения таких параметров для ОР этих классов, ОР марки Cor-X, а также требования базового нормативного документа для симметричного двухоконного разветвителя 1х2.

Таблица 1

* В первой версии документа (1996 г.)

Механические и климатические характеристики ОР и их типичные значения приведены в таблице 2. Более-менее важным можно считать диапазон рабочих температур, особенно для разветвителей, устанавливаемых вне помещений. Более подробную информацию по таким параметрам и методам испытаний ОР можно получить из Рекомендации ITU-T L.37 (2007).

Таблица 2

В начало

5. Выбор разветвителя для проектирования PON
Теперь, когда мы разобрались с параметрами разветвителей, мы можем вернуться к двум основным технологическим типам ОР – сплавным (FBT) и планарным (PLC) – и на более высоком уровне проанализировать их отличия, преимущества и недостатки. Это поможет определиться в процессе проектирования с выбором нужных устройств (см. табл. 3). Как видно из приведенной таблицы, разветвители PLC имеют ряд важных преимуществ перед сварными: малая зависимость параметров передачи от длины волны, большая точность коэффициента деления, малые потери на отражение. Однако сложность технологии делает целесообразным их применение только при достаточно большом количестве выходных портов (1х8 и более) или большими партиями. В оптических сетях же обычно требуется достаточно широкая номенклатура устройств с разным количеством портов и различными коэффициентами деления, но при небольших объемах партий. Исходя из технических параметров к недостаткам разветвителей PLC можно отнести более высокие (на 0,1-0,2 дБ) поляризационно-зависимые потери, что обусловлено некруглостью планарных волноводов.

Таблица 3

В принципе, при построении пассивной оптической сети следует выбирать ОР с:
- заданным коэффициентом деления RS при малой погрешности (либо малым значением неравномерности потерь U);
- малыми вносимыми потерями IL;
- большим коэффициентом направленности D и потерями на отражение ORL;
- сохранением заданных параметров в рабочем диапазоне (диапазонах) длин волн;
- малыми поляризационно-зависимыми потерями PDL;
- устойчивой работой в заданном температурном диапазоне. 
Современное развитие оптических сетей доступа требует, в первую очередь, гибкости и надежности. Традиционно первыми приняли на вооружение ОР сети кабельного телевидения. Применение волоконно-оптических кабелей на магистральных и субмагистральных участках позволило увеличить дальность и пропускную способность сетей вещания. Применение же разветвителей позволило охватить наибольшее количество пользователей, причем независимо от из мест расположения. В интерактивных широковещательных сетях, работающих в формате DOCSIS, использование разветвителей с неравномерным делением мощности обеспечивает примерно одинаковые уровни сигналов обратного канала от абонентов, находящихся на разном расстоянии от головной станции (см. рис. 17).

Рисунок 17

В получивших в последнее время широкое развитие сетях PON, оптические разветвители также являются ключевыми элементами. Во-первых, ОР позволяют реализовать не только традиционную для PON древовидную архитектуру, но и, при необходимости, «звезду», «точка-точка», «шина», а также их различные сочетания (см. рис. 18). Не вдаваясь в подробное сравнение архитектур, подчеркнем, что реализация шинной топологии наиболее затруднительна с точки зрения параметров оптических разветвителей. Ответвление с очень неравномерным коэффициентом деления и большой его точностью (например 1:99) достаточно сложно обеспечить технологически, а введение в линию большого количества разветвителей (более 7-8) внесет в оптический бюджет слишком большие суммарные потери.

Рисунок 18

Во-вторых, применение разветвителей с различными коэффициентами деления выходных портов позволяет регулировать оптический бюджет мощностей в различных ветвях сети. Это принципиально важно для построения так называемых «сбалансированных сетей», обладающих равномерным энергетическим запасом и наибольшей надежностью. И, в-третьих, существуют варианты использования в PON оптических разветвителей с неподключенными некоторыми выходными портами, так называемыми «точками роста». Это обеспечивает возможность дополнительного подключения пользователей, а соответственно и гибкости, масштабируемости и экономической эффективности сети за счет распределения во времени капитальных затрат на строительство.
Еще один важный момент, который необходимо учитывать при проектировании оптических сетей доступа - это существенный технологический разброс параметров, который проявляется в неравномерности затухания на выходных портах симметричных разветвителей (или отличии от номинала вносимых потерь в несимметричных ОР). Реально измеренные значения часто составляют 0,3÷0,5 дБ даже для разветвителей Cor-X (для других – до 1 дБ). А для корпусных ОР еще нужно учитывать разброс потерь в разъемах, которые тоже могут достигать 0,1÷0,5 дБ. Поэтому, в зависимости от количества разветвителей и числа портов в отдельных ветвях сети необходимо учитывать разброс параметров ОР в запасе оптической мощности.
Эффективное использование оптических разветвителей в различных типах сетей обусловлено их достаточно небольшой стоимостью, высокой надежностью, хорошей температурной устойчивостью, небольшими габаритами и возможностью легкой инсталляции внутри различных распределительных сетей или просто крепления к любой поверхности. Дальнейший рост оптических сетей и совершенствование технологий производства ОР должны еще больше увеличить их роль в телекоммуникационной отрасли.

Отдел волоконно-оптических технологий и кабельных сетей, компания "ДЕПС"