光ファイバーカプラー、ファイバースプリッターのご紹介

 

光ファイバカプラは、2 本以上のファイバを融着して引き伸ばした後、互いに隣接して配置し、結合領域を作成することによって製造されます。 加熱された領域は、望ましい結合特性が達成されるまで引き伸ばされます。 このデバイスは、FBT ファイバ カプラと呼ばれる融合バイコニカル テーパ (FBT) カプラと呼ばれます。 光カプラー,

 

 

ダウンテーパー領域では入力モードのフィールド直径が大きくなるにつれて、結合プロセスが徐々に発生します。 両方のコアが互いに非常に近接しているため、結合領域内では、1 つのコアからの光モードが別のコアに結合します。 ファイバコアの直径が増加するアップテーパ領域では、モードはますますコア内に閉じ込められるようになり、最終的には 2 つの分離されたモードが分離されたファイバの出力から離れます。 場合によっては、加熱して延伸する前に 2 本の繊維を撚ることがあります。 もう 1 つのアプローチは、ファイバ側を研磨することです。これにより、設計者はカップリング効果を非常に正確に制御できるようになります。

入力光のどの部分が 2 番目のファイバに結合されるかは、2 つのコア間の距離、結合領域内のコアの直径、および動作波長によって決まります。 したがって、結合領域のサイズを慎重に決定することで、結合比と呼ばれる出力電力の比率を制御します。 50:50 のカップリング比が非常に一般的です。 1:99 は、EDFA の入力信号と出力信号を監視するために使用されます。

50:50 の分割を達成するにはどうすればよいですか? このような配置では、光モードは 2 本のファイバの結合されたクラッドを通って伝播し、アップテーパ領域で分離されます。 ポン光カプラ

 

 

光ファイバーカプラーとファイバースプリッターの重要性

光ファイバ カプラとファイバ スプリッタは、現代の電気通信環境において重要な役割を果たしており、光信号の効率的な管理と分配を可能にします。 光ファイバ カプラは、3 本以上の光ファイバを接続し、光信号の方向転換を可能にするデバイスです。 これは、特に信号を異なるパス間で分割する必要がある長距離通信において、分岐ネットワークを作成する場合に不可欠です。
一方、ファイバー スプリッターは、単一の光信号を 2 つ以上の出力に分割し、単一の送信元が複数の宛先と通信できるようにします。 これらのデバイスを組み合わせることで、光ネットワークの柔軟性、効率、拡張性が向上します。 その重要性は、インターネット ブロードバンド接続、ケーブル テレビ、さらには医療画像などの無数のアプリケーションで見ることができます。
たとえば、インターネット サービス プロバイダー (ISP) ネットワークでは、複数の加入者に到達するために信号を分割するためにファイバ スプリッタが使用され、少ないソース信号でより広いカバレッジを実現できます。 これにより、インターネット サービスのより経済的かつ効率的な配布が可能になります。
これらのデバイスのロスレス特性により、信号の完全性が高い状態に保たれ、劣化することなく高速でのデータ伝送が可能になります。 これは、個人用および職業上のアプリケーションにとって高速通信が最も重要である今日のデータ中心の世界では特に重要です。
医療分野では、光ファイバーカプラは内視鏡検査やその他の医療画像技術に使用され、医療専門家による不正確な診断を支援する高解像度画像を実現します。 さらに、これらのテクノロジーはモノのインターネット (IoT) の成長をサポートし、デバイスがシームレスに通信してデータを共有できるようにします。
光ファイバーカプラーやファイバースプリッターによって促進される接続性の向上とリアルタイムのデータ伝送は、技術情勢の成長をサポートするだけでなく、輸送、製造、都市計画などの他の分野の進歩にも貢献します。

 

FBTカプラーのメリット

 

ファイバカプラのポート構成

 

デバイスによって結合できるファイバーの組み合わせは数多く想像できますが、その一部を以下の図に示します。

2 × 1 カプラを使用して、2 つの光入力を単一のファイバに結合します (a)。 光の伝播方向が変わると、このデバイスは 1 つの光信号を 2 つに分割します (b)。 この操作では、カプラーは、実行する機能に応じて光ファイバー スプリッターと呼ばれます。 1 × N または N × 1 ポートを結合または分割するカプラーがあります (c)。 これらはツリー カプラーと呼ばれ、N × M 構成を持つ場合があります。 WDM ネットワークにとって重要なカプラはスター カプラ (d) です。 その中で、同じ数のポートが入力と出力として機能します。 N × N 双方向 (BIDI) カプラーです。 ただし、スターカプラは N × M 単方向カプラとして構築できます。

出力比が 50:50 のカプラー、つまりスプリッターを 3 dB カプラーと呼びます。 このシンプルなデバイスは、ツリー カプラおよびスター カプラの基本構成要素として使用できます。 ただし、N × N スター カプラを作成するには M N/2) log2N 3 dB カプラが必要であり、各ポートに投入される電力の 1/N 部分のみが各出力に現れるため、これは最善のアプローチではありません。 これが、ブロードキャスト WDM ネットワーク用の最新のツリーおよびスター カプラが FBT 技術を使用して直接製造される理由です。

均一性は、均等な分割比に使用されるカプラー特性です。 たとえば、理想的な 1 × 2 カプラは、入力電力を 2 つの出力ポートに均等に分割します。 ただし、実際には、各出力ポートの電力は 50:50 の比率から変化します。 この不平等の物理的な理由は、製造プロセス中に発生するさまざまなカップリングの挿入による損失の違いです。 50:50 カプラーの均一性は次のようになります。

均一性(dB) = 10 log(P0/P1) - 10 log(P0/P2)] = 10 log(P2/P1)

これは、異なるファイバーの分割パワーの不平等の尺度です。

ファイバースプリッターについて

ファイバスプリッタは、パッシブ光ネットワーク (PON) システムの主要な光デバイスであり、パッシブ光スプリッタとも呼ばれ、光信号パワーをすべての出力ポートに均等に分割します。 PON フィールド プラントでは、1 × 8 ～ 1 × 32 スプリッターが電柱に設置され、空中の配線光ケーブルと引き込み線が顧客の敷地に接続されます。 1 × N スプリッターは、N × N スター カプラーの一部として使用できます。 たとえば、4 ステージ トポロジの 16 × 16 スター カプラが次の図に示されており、点線は 1 × 16 スプリッタを示しています。 スター カプラは、完璧なシャッフェ トポロジで 3 dB カプラをカスケード接続することによって構築できます。 3 dB カプラには 2 つの入力ポートと 2 つの出力ポートがあり、入力電力を 50:50 で出力ポートに分割します。 k 段 1 × N カプラーの場合に必要な 3 dB カプラーの数は、次の式で与えられます。

N3dB カプラー = 2k - 1、k = log2N

出力ポートごとの分割損失は次の式で与えられます。

分割損失 = 3 k [dB]。

1 × 16 スプリッタの場合、k = 4、必要な 3 dB カプラの数は 32、出力ポートあたりの分割損失は 12 dB です。

より高次のスプリッタは、このようなカプラの k 段アレイとして構築できます。 以下の図に示すように、1 つまたは 2 つの入力ポートと N3dB カプラ = 2k の出力ポートがあります。 出力ポート数は分岐比と呼ばれ、接続できるONUの最大数に相当します。

ダウンストリーム方向では、スプリッタはすべての ONU から入力ポートに戻る光パスを分配します。 分割比を 2 倍にすると、出力電力が 3 dB 減少します。 OLT に接続されているポートが 1 つだけであっても、アップストリーム信号はダウンストリーム信号と同じ損失を受けます。 これは、受動対称デバイスの相反性の自然な結果です。

これまでのところ、3 dB はエネルギーの損失ではなく、単に分割自体を考慮しているため、スプリッタは無損失であると考えてきました。 もちろん、実際のスプリッタでは、超過損失として知られる追加の損失が発生します。 もう 1 つの重要なスプリッタ パラメータは均一性です。これは、出力ポート間で電力がどの程度均等に分配されるかを測定します。 出力ポート間の損失の最大差です。

光ファイバースプリッターは指向性が高いです。 光が入力 (または出力) ポートに注入されると、他の入力 (または出力) ポートに散乱される光はほとんどありません。 この動作は、指向性 D によって捕捉され、近端クロストークまたは近端アイソレーションとも呼ばれます。

D = 10 log(P0/P3)

リターンロス R は、ポートに入力される光パワーと同じポートに戻る光パワーの比です。 指向性 D とリターンロス R は両方とも、他のすべてのポートが光学的に終端された状態、つまり他のポートからの反射がゼロの状態で測定されます。

R = 10 log(P0/P4)

光ファイバースプリッターの種類

 

これらのデバイスには、ファイバーとシリカ平面光回路 (PLC) の 2 つのタイプがあります。 以下の図に示す FBT ファイバ 3 dB カプラ スプリッタは、結合領域を融合することによって 2 つの別々のファイバから製造されています。 結合領域の両側のテーパ部分は、左側のポートのいずれかからの入射電力が右側のポートのファイバに結合し、光がもう一方の左側のポートに反射されるのに十分な長さです。 融着型テーパーファイバー 3dB カプラーを使用すると、最大 32 ポートのスターカプラーが可能になりました。 低損失で光ファイバ伝送路との結合が容易で、偏波依存性の損失がないことが利点です。

実際の光ファイバ スプリッタは、1260 ～ 1600 nm の対象スペクトル全体にわたって均一なパフォーマンスを示します。 これは、複数の 1 × 2 FBT カプラー スプリッター (Fiber-Mart 製) をベースにした、LGX ボックスにパッケージされた 1 × 4 スプリッターです。 スプリッター アセンブリのサイズがファイバーの最小曲げ半径によって制限されることに注意してください。 32 以上の大きな分割比の場合、FBT カプラー スプリッターは光学特性、特に信頼性の点でパフォーマンスが低下します (以下の 1 × 4 FBT カプラー スプリッターには 3 つの 1 × 2 スプリッターと 7 つのスプライスが含まれています)。多くのコンポーネントが故障する可能性があります。 そして製造には多大な労力がかかります。

下の図は、シリカベースの PLC スターカプラー スプリッターを示しています。 このカプラーと一体化された光スプリッターは、光分配ネットワーク (ODN) のテスト用に開発されました。 PLC テクノロジーにより、半導体の製造に使用されるのとよく似た技術でスプリッターを作成できます。 これらの技術により、コンパクト、低損失、信頼性の高いデバイスで高い分割比が可能になります。

PLC スプリッターは、大規模で集中した分割が必要な GPON ODN で使用されます (たとえば、別々に配置された複数の 1 × 4 スプリッターで構成されるツリーとは異なります)。 以下の表に、1 × N (単一入力) および 2 × N PLC スプリッタの一般的なパラメータを示します。

テストには、光学時間領域反射体 (OTDR) が 1650 nm の波長で使用されます。 スプリッターには、多層誘電体フィルターを使用して作られた反射型カプラーがスプリッター出力にあります。 コンパクトですが入出力ポートの両端にファイバを取り付ける必要があります。 2種類のカプラ（スプリッタ）の損失特性には大きな違いはありません。

たとえば、市販の 1×16 ファイバ カプラの挿入損失は、ファイバ タイプと PLC カプラ/スプリッタの両方で 1 ～ 2 dB の過剰損失を含め、約 13 ～ 14 dB です。 偏波依存損失は 0.3 dB と小さいです。 セントラル オフィスに 1× 4 スプリッタ、屋外プラントに 1× 8 スプリッタを備えたパッシブ ダブルスター構成を考えてみましょう。 ODN で稼働中のファイバ ケーブルをテストするには、1× 8 スプリッタと ONU の間に光ファイバ カプラを挿入する必要があり、OTDR 信号からの 1650 nm の波長の出力を前面で遮断する必要があります。 ONU と OLT は 1310 nm と 1550 nm の信号のみを通過させます。 一体型装置は、分離型装置構成と比較して、カプラーとスプリッターの入力端が反対側にあるため、取り扱いが容易になります。

 

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