Компактный оптический разветвитель для архитектуры PON FTTH

Система пассивной оптической сети (PON) широко используется в качестве оптической сети при строительстве сетей FTTH (Fiber To The Home). Чтобы несколько пользователей могли совместно использовать оптическое волокно в PON, необходим оптический разветвитель , который разветвляет оптический сигнал. В последнее время востребованы готовые к использованию структуры, использующие модули и разъемы, для упрощения монтажа оптических разветвителей. Более того, поскольку модуль разветвителя устанавливается снаружи здания, его высокая надежность, способная выдерживать суровые условия окружающей среды, является критически важным требованием. Кроме того, компактность и экономия средств также являются важными факторами. Поэтому мы разработали его, используя для корпуса модуля высококачественную огнестойкую пластиковую смолу. Мы подтвердили, что модули оптического разветвителя обладают превосходными оптическими характеристиками и достаточной надежностью.

1. ВВЕДЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ

Система PON получила широкое распространение в качестве оптической сети при строительстве FTTH с экономической точки зрения. Как показано на рис. 1, архитектура PON позволяет передавать сигнал по одному оптоволоконному кабелю от телефонной станции нескольким пользователям, что обеспечивает снижение затрат на абонента. Разветвитель на основе планарных световодных цепей (PLC) – оптический разветвитель – играет ключевую роль в реализации разветвления оптического сигнала в телекоммуникационной сети и в настоящее время имеет максимальный коэффициент разветвления 32 ( Fiber-Mart может обеспечить коэффициент разветвления до 64).

Монтаж оптического разветвителя упрощается благодаря применению метода защёлкивания или защёлкивания, который ускоряет процесс благодаря быстрому подключению. Этот метод «plug-and-play» обычно применяется в точках соединения в сети FTTH (этот метод позволяет устанавливать оптические компоненты в полевых условиях без специальных инструментов или навыков работы с оголёнными оптическими волокнами). Для эффективного развертывания с использованием таких простых методов и модульных конструкций необходимо интегрировать компоненты с разъёмами в структуру оптических разветвителей. Кроме того, гибкость сети достигается благодаря использованию модуля с разъёмом на конце, что позволяет легко перенастраивать сеть. Кроме того, в архитектуре FTTH PON функция распределительного узла оптоволокна (FDH) заключается в размещении оптического разветвителя вне помещения, поэтому FDH играет решающую роль в обеспечении высокой надёжности в условиях окружающей среды. Из-за ограниченного пространства в FDH, требуется уменьшение габаритов модуля оптического разветвителя. Повсеместное внедрение FTTH во всём мире диктует насущную необходимость разработки недорогих решений. Новый компактный и лёгкий оптический разветвитель изготовлен из огнестойкого пластика, обладающего прочностью, сопоставимой с прочностью обычного металлического корпуса при эксплуатации в условиях внешней среды, но при этом стоимостью, составляющей лишь малую часть первоначальной стоимости. В данной статье описывается разработка оптических разветвителей с разделением по длине волны (WDM) 1×16, 1×32 и 2×32. Также будут рассмотрены характеристики и оценка надёжности.

2. СТРУКТУРА ОПТИЧЕСКИХ РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ

2.1. Разветвитель типа PLC

Как показано на рис. 2, оптическое волокно разветвляется на 32 выхода через оптический разветвитель типа PLC 1×32. Чип PLC представляет собой кварцевое стекло со встроенной оптической цепью. Схема схемы разработана для разветвления одного входа на несколько выходных каналов. Оптическое волокно приклеено к чипу PLC смолой, отверждаемой ультрафиолетовым излучением; этот интерфейс соответствует условиям испытаний Telcordia GR-1209 и GR-1221, что обеспечивает высокую надежность. Кроме того, для достижения уменьшения габаритов в данном модуле использовано нечувствительное к изгибам одномодовое волокно (SMF).

2.2. Огнестойкая пластиковая упаковка

Структура разработанного оптического модуля-разветвителя представлена на рис. 3. В модуле-разветвителе используется волокно, устойчивое к изгибу, с радиусом изгиба 15 мм, что значительно уменьшает габариты упакованного модуля. Габариты (Д 118 мм × Г 87 мм × В 13 мм) составляют 3/5 от габаритов стандартного оптического модуля, использующего одномодовый оптический кабель с радиусом изгиба 30 мм. Кроме того, благодаря замене металла в корпусе разветвителя огнестойким пластиком, его вес снизился до 1/3 от веса стандартного металлического корпуса.

На рисунке 4 показана внутренняя конфигурация модуля оптического разветвителя. Модуль разветвителя оснащён оптическими пигтейлами. Волоконные шнуры диаметром 2 мм фиксируются на держателе кабеля с помощью клея. Эта конструкция рассчитана на прочность на разрыв до 68,6 Н. Более того, поскольку оптический шнур имеет структуру, подобную структуре кабелей со свободной трубкой, оптическое волокно свободно перемещается внутри шнура, что обеспечивает его расширение и сжатие, не оказывая внешнего натяжения на волокно.

Конструкция защитного чехла показана на рис. 5. Чехол предназначен для ограничения радиуса изгиба до минимально допустимого для оптического волокна значения, а именно 15 мм. Это предотвращает увеличение затухания, вызванное изгибом волокна. Гибкий чехол разработан с учётом таких факторов, как жёсткость, толщина и количество витков кабеля в чехле, что позволяет контролировать радиус изгиба до минимально допустимого значения 15 мм при приложении нагрузки под углом 90° к оптическому кабелю перпендикулярно.

3. ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ

3.1. Функциональность FDH

На рисунке 6 показан внешний вид системы FDH с нагрузкой в виде оптического разветвителя. Концентратор, оптический коннектор и оптические адаптеры установлены на панели, что обеспечивает простоту эксплуатации благодаря защёлочному механизму. Пигтейл элегантно прокладывается в U-образной форме через оправку. Этот метод «plug-and-play» делает установку чрезвычайно простой и эффективной.

3.2. Основные оптические характеристики

Модули сплиттера 1×16 и 1×32 были изготовлены для установки на описанный выше распределительный концентратор оптоволокна. Свободный порт (неиспользуемый порт) в FDH будет приводить к обратным отражениям оптического сигнала. Для предотвращения обратных потерь от торца свободного порта разъём SC отполирован до углового физического контакта (APC). В таблице ниже представлены оптические характеристики модуля оптического разветвителя, включая пигтейлы разъёма.

Гистограммы, представленные на рис. 7 и 8, иллюстрируют характеристики вносимых потерь модулей оптических разветвителей 1×16 и 1×32 соответственно. На рабочей длине волны 1310 нм средние вносимые потери разветвителя 1×16 составляют 13,23 дБ, а разветвителя 1×32 — 16,33 дБ. Аналогично, на рабочей длине волны 1550 нм вносимые потери модулей разветвителей 1×16 и 1×32 составляют 13,10 дБ и 16,22 дБ соответственно. Кроме того, стандартное отклонение разветвителя 1×16 составляет 0,29 дБ, а разветвителя 1×32 — 0,34 дБ. В то же время это значение уменьшается до 0,23 дБ для разветвителя 1×16 и 0,28 дБ для разветвителя 1×32 на длине волны 1550 нм.

Показатели других оптических характеристик, помимо вносимых потерь, приведены в таблице 1. Эти результаты демонстрируют стабильно хорошие показатели, как показано на гистограмме вносимых потерь, по таким характеристикам, как однородность, возвратные потери и значения PDL.

3.3. Потеря, зависящая от температуры

История прошлых экспериментальных результатов показала, что компоненты, заканчивающиеся оптическим пигтейлом, подвержены флуктуациям вносимых потерь при изменении температуры. Чтобы изолировать влияние расширения/сжатия шнура на оптическое волокно внутри, оптический шнур спроектирован так, чтобы обеспечивать свободное движение оптического волокна, тем самым устраняя внешнее напряжение, вызванное расширением/сжатием шнура. На рисунке 9 показано изменение вносимых потерь модуля оптического разветвителя 1×32 при циклическом изменении температуры от −40 °C до +85 °C. Средние, минимальные и максимальные значения, полученные с 32 выходных портов, показаны на графике, показанном на рисунке 9. Из графика видно, что максимальное отклонение потерь между портами с максимальными и минимальными вносимыми потерями составляет 0,17 дБ. Этот результат свидетельствует об исключительной стабильности разработанного модуля оптического разветвителя.

3.4. Потери, зависящие от длины волны

Зависящие от длины волны потери оптического разветвителя 1×32 показаны на рис. 10. Измерены характеристики вносимых потерь в диапазоне длин волн от 1260 до 1680 нм. На графике также представлены средние потери для 32 портов, а также минимальные и максимальные потери, зависящие от длины волны. Среднее отклонение составляет 0,36 дБ, а максимальное отклонение для всех 32 портов — 0,86 дБ.

Это доказывает, что модуль разветвителя продемонстрировал устойчивость к изменению вносимых потерь в широком спектре длин волн.

В этом модуле оптического разветвителя размещены различные оптические устройства, что делает его многофункциональным. Примером может служить модуль оптического разветвителя WDM 2×32, показанный на рис. 11, и конструкция его держателя кабеля, показанная на рис. 12. Перед модулем разветвителя 1×32 был установлен фильтр WDM, что позволило использовать несколько длин волн.

На рисунке 13 показаны потери, зависящие от длины волны, в модуле оптического разветвителя WDM 2×32. С WDM-фильтром длина волны в диапазоне от 1530 до 1570 нм передается через порт B, а остальные диапазоны длин волн — через порт A. Потери, зависящие от длины волны, в портах A и B равномерно распределяются между 32 волокнами, что обеспечивает превосходные показатели потерь в каждом порту.

4. НАДЕЖНОСТЬ ОПТИЧЕСКИХ РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ

Надежность модуля разветвителя 1×32 оценивается в соответствии с процедурами испытаний, предусмотренными в Telcordia GR-1209 и GR-1221. Условия испытаний и результаты измерений модуля разветвителя 1×32 на длине волны 1550 нм приведены в таблице 2. Средние, максимальные и минимальные значения измеренных значений для 32 выходных портов приведены в таблице 2. Результаты испытаний на боковое вытягивание и испытания на удержание кабеля представляют собой максимальные данные, полученные in situ во время приложения нагрузки к кабельному шнуру. С другой стороны, зарегистрированные данные о влажном нагреве, циклическом изменении температуры, механическом ударе, вибрации и погружении в воду показывают изменение вносимых потерь до и после испытаний. Результаты подтверждают надежность модуля разветвителя 1×32.

Результаты испытаний на воздействие высокой температуры и влажности представлены на рис. 14. Образцы оптического разветвителя выдержали в общей сложности 2000 часов хранения при температуре 85 °C и относительной влажности 85%. Были измерены вносимые потери через 100, 168, 500, 1000 и 2000 часов. Средние вносимые потери для 32 портов, а также максимальные и минимальные вносимые потери, измеренные на длине волны 1550 нм, представлены на графике. Из графика на рис. 14 следует, что даже после 2000 часов потери практически не меняются. Модуль оптического разветвителя продемонстрировал хорошую стабильность в условиях высокой температуры и влажности.

Кроме того, для соответствия требованиям по огнестойкости оптических компонентов и аксессуаров мы применили каркас из негорючего пластика толщиной 1,5 мм, соответствующего стандарту UL-94 V-0. Оболочка оптического кабеля изготовлена из негорючего ПВХ класса V-0.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработан компактный и экономичный оптический разветвитель, обладающий превосходными оптическими характеристиками и надежностью в жестких условиях эксплуатации, подходящий для наружной установки. Конструкция с функцией «plug-and-play» обеспечивает простой и быстрый монтаж, а также дополнительную гибкость для будущих реконфигураций сети, что делает этот оптический разветвитель идеальным решением для развертывания архитектуры PON FTTH.

6. РЕШЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ FiberMART

Модули оптических разветвителей в Fiber-Mart в основном выпускаются в трех корпусах: шасси для монтажа в стойку 1U 19", металлический корпус кассеты LGX и модуль пигтейла из пластика ABS.