Einführung von Glasfaserkopplern und Glasfasersplittern

 

Ein faseroptischer Koppler wird hergestellt, indem zwei oder mehr Fasern nebeneinander platziert und anschließend verschmolzen und gedehnt werden, wodurch ein Kopplungsbereich entsteht. Der erhitzte Bereich wird gedehnt, bis die gewünschten Kopplungseigenschaften erreicht sind. Dieses Gerät wird als FBT-Koppler (Fused Biconical Taper) mit der Bezeichnung FBT Fiber Coupler bezeichnet. optischer Koppler,

 

 

Der Kopplungsprozess erfolgt schrittweise, wenn der Felddurchmesser einer Eingangsmode im Down-Taper-Bereich größer wird. Innerhalb des Kopplungsbereichs koppelt der optische Modus von einem Kern an einen anderen Kern, da beide Kerne sehr nahe beieinander liegen. Im Up-Taper-Bereich, wo der Durchmesser des Faserkerns zunimmt, werden die Moden immer stärker in den Kernen eingeschlossen und schließlich verlassen die beiden getrennten Moden die Ausgänge der getrennten Fasern. Manchmal werden zwei Fasern vor dem Erhitzen und Strecken verdrillt. Ein anderer Ansatz besteht darin, die Faserseite zu polieren, wodurch der Designer den Kopplungseffekt sehr präzise steuern kann.

Welcher Teil des Eingangslichts in die zweite Faser eingekoppelt wird, hängt vom Abstand zwischen den beiden Kernen, den Kerndurchmessern innerhalb des Kopplungsbereichs und den Betriebswellenlängen ab. Durch sorgfältige Dimensionierung des Kopplungsbereichs steuern wir daher das Verhältnis der Ausgangsleistungen, das sogenannte Kopplungsverhältnis. Ein Kopplungsverhältnis von 50:50 ist sehr beliebt; 1:99 wird zur Überwachung der Ein- und Ausgangssignale in EDFAs verwendet.

Wie erreicht man eine 50:50-Aufteilung? In einer solchen Anordnung breitet sich der optische Modus durch die kombinierte Ummantelung der beiden Fasern aus und wird im sich nach oben verjüngenden Bereich getrennt. PON-Optokoppler

 

 

Bedeutung von Glasfaserkopplern und Glasfasersplittern

Glasfaserkoppler und Glasfasersplitter spielen in der modernen Telekommunikationslandschaft eine entscheidende Rolle und ermöglichen die effiziente Verwaltung und Verteilung optischer Signale. Ein Glasfaserkoppler ist ein Gerät, das drei oder mehr Glasfasern verbindet und so die Umleitung optischer Signale ermöglicht. Dies ist für den Aufbau verzweigter Netzwerke von entscheidender Bedeutung, insbesondere bei der Fernkommunikation, bei der Signale möglicherweise auf verschiedene Pfade aufgeteilt werden müssen.
Ein Glasfasersplitter hingegen teilt ein einzelnes optisches Signal in zwei oder mehr Ausgänge auf und ermöglicht so die Kommunikation einer einzelnen Quelle mit mehreren Zielen. Zusammen verbessern diese Geräte die Flexibilität, Effizienz und Skalierbarkeit optischer Netzwerke. Ihre Bedeutung zeigt sich in unzähligen Anwendungen wie Internet-Breitbandverbindungen, Kabelfernsehen und sogar in der medizinischen Bildgebung.
Beispielsweise werden in Netzwerken von Internetdienstanbietern (ISP) Glasfasersplitter verwendet, um Signale aufzuteilen, um mehrere Teilnehmer zu erreichen, und so eine breitere Abdeckung mit weniger Quellsignal zu ermöglichen. Dies führt zu einer wirtschaftlicheren und effizienteren Verteilung von Internetdiensten.
Die verlustfreie Beschaffenheit dieser Geräte stellt sicher, dass die Signalintegrität hoch bleibt und eine Datenübertragung mit hohen Geschwindigkeiten ohne Beeinträchtigung möglich ist. Dies ist besonders wichtig in der heutigen datenzentrierten Welt, in der Hochgeschwindigkeitskommunikation für private und berufliche Anwendungen von größter Bedeutung ist.
Im Gesundheitswesen werden Glasfaserkoppler in der Endoskopie und anderen medizinischen Bildgebungstechnologien eingesetzt und ermöglichen hochauflösende Bilder, die medizinischem Fachpersonal bei der Erstellung ungenauer Diagnosen helfen. Darüber hinaus unterstützen diese Technologien das Wachstum des Internets der Dinge (IoT) und ermöglichen es Geräten, nahtlos zu kommunizieren und Daten auszutauschen.
Die durch Glasfaserkoppler und Glasfasersplitter ermöglichte verbesserte Konnektivität und Echtzeit-Datenübertragung unterstützen nicht nur das Wachstum der Technologielandschaft, sondern tragen auch zu Fortschritten in anderen Bereichen wie Transport, Fertigung und Stadtplanung bei.

 

Vorteile von FBT-Kopplern

Der FBT-Koppler bietet drei wesentliche Vorteile, wie unten dargestellt: Verlustarmer Prozess: Die Faserkopplung ist ein verlustarmer Prozess. Tatsächlich gibt es bei der Umwandlung vom Kernmodus in den Kopplungsmodus und zurück in den Kernmodus keine Verluste. Daher müssen wir Verluste berücksichtigen, die durch die Lichtausbreitung durch eine kurze Mantellänge verursacht werden. Allerdings ist die Einfügungsdämpfung eines zusammengebauten Kopplers ziemlich hoch und hängt vom Kopplungsverhältnis ab. Keine Rückreflexion: Licht verlässt während des Kopplungsprozesses niemals die Faserstruktur und trifft daher nie auf eine Grenzfläche. Somit ist dieser Kopplertyp grundsätzlich frei von Rückreflexionen. Tatsächlich enthalten Datenblätter für diesen Kopplertyp diese Spezifikation nicht. Einfaches Anschließen: Da FBT-Koppler aus Fused Biconical Taper Machine, regulären Fasern, hergestellt werden, ist das Anschließen eines FBT-Kopplers an eine Übertragungsfaser ein einfaches, verlustarmes Verfahren.

Portkonfigurationen von Glasfaserkopplern

 

Wir können uns eine Reihe von Faserkombinationen vorstellen, die durch ein Gerät gekoppelt werden könnten, von denen einige in den folgenden Abbildungen dargestellt sind.

Ein 2 × 1-Koppler wird verwendet, um zwei Lichteingänge in einer einzigen Faser zu kombinieren (a). Wenn die Richtung der Lichtausbreitung geändert wird, teilt dieses Gerät ein optisches Signal in zwei auf (b). In diesem Fall wird der Koppler entsprechend seiner Funktion als Glasfaserverteiler bezeichnet. Es gibt Koppler, die 1 × N- oder N × 1-Ports koppeln oder teilen (c). Sie werden Baumkoppler genannt und können eine N × M-Konfiguration haben. Ein wichtiger Koppler für ein WDM-Netzwerk ist ein Sternkoppler (d). Dabei dienen gleich viele Ports als Ein- und Ausgänge. Es handelt sich um einen bidirektionalen N × N-Koppler (BIDI). Ein Sternkoppler kann jedoch als N × M-unidirektionaler Koppler aufgebaut sein.

Ein Koppler mit einem Ausgangsverhältnis von 50:50, also ein Splitter, wird als 3-dB-Koppler bezeichnet. Dieses einfache Gerät kann als Grundbaustein für Baum- und Sternkoppler verwendet werden. Dies ist jedoch nicht der beste Ansatz, da wir M N/2) log2N 3-dB-Koppler benötigen, um einen N × N-Sternkoppler herzustellen, und nur 1/N der in jeden Port eingespeisten Leistung an jedem Ausgang erscheint. Aus diesem Grund werden moderne Baum- und Sternkoppler für Broadcast-WDM-Netzwerke direkt mit der FBT-Technik hergestellt.

Uniformität ist die Kopplereigenschaft, die für gleiche Teilungsverhältnisse verwendet wird. Beispielsweise würde ein idealer 1 × 2-Koppler die Eingangsleistung gleichmäßig auf zwei Ausgangsanschlüsse aufteilen. In der Realität weicht die Leistung an jedem Ausgangsport jedoch vom Verhältnis 50:50 ab. Der physikalische Grund für diese Ungleichheit sind unterschiedliche Einfügungsverluste für verschiedene Kupplungen, die während des Herstellungsprozesses entstehen. Die Gleichmäßigkeit für einen 50:50-Koppler wird wie folgt dargestellt:

Gleichmäßigkeit (dB) = 10 log(P0/P1) - 10 log(P0/P2)] = 10 log(P2/P1)

Sie ist ein Maß für die Ungleichheit der aufgeteilten Leistung in verschiedenen Fasern.

 

Über den Fasersplitter

Fiber Splitter ist ein wichtiges optisches Gerät in passiven optischen Netzwerksystemen (PON), auch bekannt als passiver optischer Splitter, der die optische Signalleistung gleichmäßig auf alle Ausgangsports aufteilt. In der PON-Feldanlage wird ein 1 × 8 auf 1 × 32-Splitter an einem Strommast angebracht, der das optische Verteilungskabel in der Luft und die Stichleitung mit dem Kundengelände verbindet. Ein 1×N-Splitter kann Teil eines N×N-Sternkopplers sein. In der nebenstehenden Abbildung ist beispielsweise ein 16 × 16-Sternkoppler mit vierstufiger Topologie dargestellt, und die gestrichelte Linie bezeichnet einen 1 × 16-Splitter. Der Sternkoppler kann durch Kaskadierung von 3-dB-Kopplern in der perfekten Shuffe-Topologie aufgebaut werden. Der 3-dB-Koppler verfügt über zwei Eingangs- und zwei Ausgangsanschlüsse und teilt die Eingangsleistung im Verhältnis 50:50 auf die Ausgangsanschlüsse auf. Die Anzahl der 3-dB-Koppler, die für den Fall mit k-stufigem 1 × N-Koppler erforderlich ist, ist gegeben durch

N3dB-Koppler = 2k - 1, k = log2N

und der Aufteilungsverlust pro Ausgangsport ist gegeben durch

Splitting-Verlust = 3 k [dB].

Für einen 1 × 16-Splitter, k = 4, beträgt die Anzahl der erforderlichen 3-dB-Koppler 32 und der Aufteilungsverlust pro Ausgangsport beträgt 12 dB.

Splitter höherer Ordnung können als k-Stufen-Arrays solcher Koppler konstruiert werden. Sie verfügen über einen oder zwei Eingangsports und einen N3dB-Koppler = 2k-Ausgangsports, wie in der Abbildung unten dargestellt. Die Anzahl der Ausgangsports wird als Split-Verhältnis bezeichnet und entspricht der maximalen Anzahl an ONUs, die angeschlossen werden können.

In der Downstream-Richtung verteilt der Splitter die Lichtwege von allen ONUs zurück zu den Eingangsports. Die Kosten für die Verdoppelung des Teilungsverhältnisses sind eine Reduzierung der Ausgangsleistung um 3 dB. Das Upstream-Signal erleidet den gleichen Verlust wie das Downstream-Signal, obwohl nur ein einziger Port mit dem OLT verbunden ist. Dies ist eine natürliche Folge der Reziprozität passiver symmetrischer Geräte.

Bisher haben wir den Splitter als verlustfrei betrachtet, da die 3 dB keine verlorene Energie sind, sondern lediglich für die Aufteilung selbst verantwortlich sind. Ein praktischer Splitter führt natürlich zu zusätzlichen Verlusten, die als Überschussverluste bezeichnet werden. Ein weiterer wichtiger Splitterparameter ist seine Gleichmäßigkeit, die misst, wie gleichmäßig die Leistung auf die Ausgangsports verteilt wird. Dies ist der maximale Verlustunterschied zwischen den Ausgangsports.

Glasfasersplitter sind stark richtungsabhängig. Wenn Licht an einem Eingangs- (oder Ausgangs-)Port eingekoppelt wird, wird nur sehr wenig Licht zu anderen Eingangs- (oder Ausgangs-)Ports zurückgestreut. Dieses Verhalten wird durch die Richtwirkung D erfasst, auch Nahnebensprechen oder Nahisolation genannt:

D = 10 log(P0/P3)

Die Rückflussdämpfung R ist das Verhältnis der in einen Port eingespeisten optischen Leistung zur optischen Leistung, die zum selben Port zurückfließt. Sowohl die Richtwirkung D als auch die Rückflussdämpfung R werden gemessen, wobei alle anderen Anschlüsse optisch abgeschlossen sind, d. h. ohne Reflexion von den anderen Anschlüssen.

R = 10 log(P0/P4)

ARTEN VON FASEROPTIK-SPLITTERN

 

Es gibt zwei Arten dieser Geräte: Glasfaser- und Quarzglas-Planarlichtwellenleiter (PLC). Der in der Abbildung unten gezeigte FBT-Faser-3-dB-Koppler-Splitter wird aus zwei separaten Fasern hergestellt, indem der Kopplungsbereich miteinander verschmolzen wird. Der verjüngte Abschnitt auf beiden Seiten des Kopplungsbereichs ist lang genug, dass einfallende Energie von einem der linken Anschlüsse an die Fasern an den rechten Anschlüssen gekoppelt wird und das Licht zum anderen linken Anschluss reflektiert wird. Sternkoppler mit bis zu 32 Ports waren mit konischen 3-dB-Faserkopplern mit Schmelzsicherung möglich. Vorteile sind die verlustarme, einfache Ankopplung an die Glasfaserübertragungsleitung und kein polarisationsabhängiger Verlust.

Reale Glasfasersplitter zeigen über das gesamte interessierende Spektrum von 1260 bis 1600 nm eine gleichmäßige Leistung. Hier ist ein 1×4-Splitter verpackt in der LGX-Box, basierend auf mehreren 1×2-FBT-Koppler-Splittern (von Fiber-Mart). Beachten Sie, dass die Größe der Splitterbaugruppe durch den minimalen Biegeradius der Fasern eingeschränkt wird. Bei großen Teilungsverhältnissen wie 32 und mehr schneiden die FBT-Koppler-Splitter hinsichtlich der optischen Eigenschaften und insbesondere der Zuverlässigkeit schlecht ab (der 1 × 4-FBT-Koppler-Splitter unten enthält drei 1 × 2-Splitter und sieben Spleiße). Es gibt viele Komponenten, die ausfallen können. und viel Fertigungsaufwand.

Die folgende Abbildung zeigt den PLC-Sternkoppler-Splitter auf Siliziumbasis. Dieser in den Koppler integrierte optische Splitter wurde zum Testen des optischen Verteilungsnetzes (ODN) entwickelt. Die SPS-Technologie ermöglicht die Herstellung von Splittern mit Techniken, die denen zur Herstellung von Halbleitern ähneln. Diese Techniken ermöglichen hohe Teilungsverhältnisse in kompakten, verlustarmen und zuverlässigen Geräten.

PLC Splitter wird in GPON-ODNs verwendet, bei denen große, konzentrierte Splits erforderlich sind (im Gegensatz zu Bäumen, die beispielsweise aus mehreren separat angeordneten 1 × 4-Splittern bestehen). In den folgenden Tabellen sind typische Parameter für 1 × N- (Einzeleingang) und 2 × N-SPS-Splitter aufgeführt.

Zur Prüfung wird der optische Zeitbereichsreflektor (OTDR) bei der Wellenlänge 1650 nm verwendet. Der Splitter verfügt an den Splitterausgängen über Reflexionskoppler, die aus mehrschichtigen dielektrischen Filtern bestehen. Es ist kompakt, aber Fasern müssen an beiden Enden der Eingangs- und Ausgangsanschlüsse angebracht werden. Es gibt keinen großen Unterschied in den Verlusteigenschaften zwischen den beiden Kopplertypen (Splitter).

Der Einfügungsverlust des kommerziell erhältlichen 1×16-Faserkopplers beträgt beispielsweise etwa 13 bis 14 dB, einschließlich eines zusätzlichen Verlusts von 1 bis 2 dB sowohl beim Fasertyp als auch beim PLC-Koppler/Splitter. Der polarisationsabhängige Verlust beträgt nur 0,3 dB. Stellen Sie sich eine passive Doppelsternkonfiguration vor, die mit 1×4-Splitter in der Zentrale und 1×8-Splitter in der Außenanlage konfiguriert ist. Um in Betrieb befindliche Glasfaserkabel im ODN zu testen, müssen Glasfaserkoppler zwischen dem 1×8-Splitter und den ONUs eingefügt und der Ausgang bei der Wellenlänge 1650 nm vom OTDR-Signal vorne abgeschnitten werden der ONU und des OLT, um nur Signale bei 1310 nm und 1550 nm weiterzuleiten. Im Vergleich zur separaten Gerätekonfiguration bietet das integrierte Gerät eine einfachere Handhabung, da sich die Eingangsenden der Koppler und des Splitters auf gegenüberliegenden Seiten befinden.

 

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