ファイバースプリッターの仕組み: 物理学、損失計算、エンジニアが間違えていること

ファイバースプリッターとは実際には何ですか

光ファイバ スプリッタは、1 つの入力光信号を受け取り、それを 2 つ以上の出力ファイバ - に分割するか、逆に複数の入力を 1 つに結合する受動光コンポーネントです。電気を必要とするアクティブデバイスとは異なります、スプリッターはガラス内の光の挙動のみに依存するため、導入が安価であり、電力を供給したり手が届かない場所でも信頼性が高くなります。

その単一のプロパティ - 受動性 - が、全体の理由ですパッシブ光ネットワーク (PON)アーキテクチャは存在します。 1 本のファイバーが中央局から出てスプリッターに到達し、数十の家庭にサービスを提供します。光回線端末 (OLT) と加入者の光ネットワーク端末 (ONT) の間には、電力が供給される機器はありません。スプリッタは、「1 つのファイバ、多数の顧客」を物理的に可能にするコンポーネントです。

物理学: 1 本の光線がどのようにして多数になるのか

光は光ファイバー内にとどまります。全内部反射。ガラスコアは周囲のクラッドよりもわずかに高い屈折率を持っているため、光が十分に浅い角度でその境界に当たると、光は漏れ出るのではなく反射してコア内に戻ります。その光を境界ジオメトリが変化する構造に誘導すると、エネルギーを強制的に複数のパスに再分配できます。それがすべてのトリックです。

この構造を構築するには 2 つの方法があり、それらは購入する 2 つのスプリッタ ファミリに対応します。

FBT と PLC: 同じ機能を構築する 2 つの方法

融合バイコニカルテーパー (FBT)

古い方法。 2 本以上の裸のファイバーを整列させ、テーパー加工機で加熱して、コアが単一の結合領域に融合するまで引き伸ばします。光がテーパ ゾーンに入ると、隣接するファイバ コアに結合し、テーパの端で出力が出力間で分割されます。製造時に設定されたストレッチ長とツイスト角度によって比率が決まります。。 FBT は安価で、非対称比率 (5/95 タップや 30/70 タップなど) を構築できますが、精度が急速に低下します。1×8 分割を超えると、カスケード接続された 1×2 ユニットから組み立てる必要があり、故障率が上昇します。

平面光波回路 (PLC)

高カウントのための現代的な方法。導波路は、半導体の製造に使用されるのと同じ種類のプロセスであるフォトリソグラフィー - を使用して、シリカまたはシリコン チップ上にエッチングされます。光は 1 つの導波路に入り、正確に定義された Y- 分岐で 4、8、16、32、または 64 個の出力に分割されます。形状は手作業ではなくリソグラフィーによって定義されるため、{10}}PLC スプリッターは、すべてのポートにわたって均一な損失と 1260 ～ 1650 nm のフラットな応答を実現します。- は 1 つのデバイスですべての PON 波長をカバーします。

分割すると常にデシベルが発生する理由

これは、「仕組み」に関する記事のほとんどが省略する部分であり、ネットワークが機能するかどうかを決定する部分です。光パワーを N 方向に分割すると、各出力は入力の一部しか受け取ることができません。均等分割の場合の避けられない物理-フロアの損失は次のとおりです。

理論上の分割損失 (dB)=10 × log₁₀(N)

したがって、1×2 分割では少なくとも 3 dB 損失、1×4 では 6 dB 損失、1×8 では 9 dB 損失というようになります。実際のデバイスは失われますもっとこれよりも、そのせいで超過損失- デバイス内の散乱、不完全な結合、および物質の吸収によって失われるエネルギー。実際にデザインする数値は挿入損失、理論上の分割と超過損失を折り畳みます。

人を惹きつけるスペック

挿入損失が注目を集めますが、信頼性を決定する他の 3 つの数値は次のとおりです。

• 均一- 単一デバイス上の最良の出力ポートと最悪の出力ポートの間の広がり。均一性が低い 1×32 は、一部の加入者が予算の限界に近づいている一方、他の加入者には余裕があることを意味します。
• リターンロス (RL)- 個の反射光が光源に向かって戻ってきます。高いほど良いです。 APC コネクタは 60 dB 以上を提供しますが、UPC では ~50 dB です。これが、PON ドロップがほぼ常に APC を使用する理由です。
• 分極-依存損失（PDL）そして温度-依存損失（TDL）PLC では - は小さいですが (≈0.1 ～ 0.2 dB)、FBT では温度ドリフトだけで、寒い夜に限界リンクが予算を超えてしまう可能性があります。

実際の例: 実質損失予算を閉じる

スペックはそれらを足し合わせたときにのみ重要になります。以下は、単一のスプリッタを注文する前にエンジニアが実行する計算です。 +3 dBm OLT 起動と -28 dBm - の ONT 受信機感度を持つ GPON ダウンストリームを想定し、合計バジェットは 31 dB になります。

スプリッターだけで消費する70%以上この設計で使用された予算のうち。この 1 つの事実が、PON におけるほぼすべてのアーキテクチャ上の決定を左右します。また、仕様が不十分なスプリッター - の「1×32」が 17.5 dB ではなく実際には 18.5 dB - であると、技術者がケーブルに触れる前に修理マージン全体を静かに消費してしまう可能性がある理由でもあります。

集中分割とカスケード分割

損失の計算がわかれば、展開の選択が決まります。たとえば 32 軒の家に到達するには 2 つの方法があります。

一元化:単一の 1×32 スプリッタがファイバ分配ハブに配置され、32 個のファイバが 32 個の ONT にファンアウトされます。 1 つのスプリッター、1 つの損失イベント (約 17.5 dB)、テストと監視が簡単。これは密集した都市部では標準的な選択ですアクセスが簡単で、加入者がサインアップするまでスプリッタ ポートを未使用のままにしておくことができるためです。

カスケード:外側のエンクロージャ内の 1×4 スプリッタは、顧客に近い 4 つの 1×8 スプリッタに信号を供給します。結果は依然として 32 出力ですが、損失は積み重なります: およそ 7.4 dB (1×4) + 11 dB (1×8) ≈ 18.4 dB - 約 1 デシベル悪い集中化よりも。見返りとなるフィーダー ファイバーははるかに少なくなります。そのため、アクセスではなくファイバーの長さがコスト要因となる分散した田舎や村のルートでは、カスケード分割が効果的です。{1}

現場でのトラブルシューティング: スプリッタが原因となることはほとんどありません

リンクで高い損失が読み取られると、スプリッターが責任を負い、最初にスワップされます。それはほとんどの場合、間違った動きです。挿入損失は、パス内のすべてのコネクタ、スプライス、ベンド、コンポーネントの合計です。、エンドポイントの読み取り値からは何もわかりません。どこ喪失は生きる。スプリッターを非難する前に:

1. すべての端面を検査して清掃します。単一の APC コネクタが汚れていると、パフォーマンスの悪いスプリッタよりも損失が増加する可能性があります。測定する前に、無水エタノールで汚れを落とし、糸くずの出ない拭き取りを行ってください。-
2. 参照を確認してください。OTDR またはパワーメーターのリファレンス起動における 1 dB の誤差は、1 dB のファントム スプリッタ損失として表示されます。-
3. 波長を確認してください。1550 nm で測定されたデバイスの読み取り値は、実際に伝送される下流の 1490 nm とは異なります。不一致は問題を偽装します。
4. カスケードを考慮します。予算の 2 番目のスプリッター ステージを忘れた場合、リンクは物理学の判断どおりに動作しています。- ハードウェアではなくスプレッドシートが間違っています。

これら 4 つのチェックを経て初めて、スプリッターの交換が意味を持ちます。ほとんどの「不正なスプリッター」呼び出しはステップ 1 で解決されます。

エンジニアが犯し続ける現実の-世界の6つの落とし穴-の間違い

理論はきれいです。フィールドインストールはそうではありません。以下の 6 つの障害パターンは、ISP フォーラム、NANOG メーリング リスト アーカイブ、業界分野のサービス レポートで繰り返し出現しています。-これらはいずれも、- をトリガーするために特殊なハードウェアを必要としません。それらはすべて、急いで行われる通常の決定によって発生します。

基準とコンプライアンスが実際に保証するもの

初日に予算を完了しても、3 回の冬を経て失敗するようなスプリッターには価値がありません。それが標準規格で取り上げられているものです。 2 つの身体が重要です:

• ITU-T G.984 (GPON)光リンク バジェット - スプリッタ損失が収まる減衰クラス (13 ～ 28 dB のクラス B+、17 ～ 32 dB のクラス C+) を定義します。これは、1×64 が特定の OLT 上で合法であるかどうかを示す仕様です。
• Telcordia GR-1209 および GR-1221パッシブ光コンポーネントの一般的な信頼性基準を設定します。-環境テスト、機械テスト、経年劣化テスト（FTTH ネットワークが 25 年の寿命にわたって耐えなければならない湿熱および熱サイクルを含む）-。

スプリッタのデータシートで GR-1209/GR-1221 が引用されている場合、デバイスがベンチ上で良好に測定されたというだけではなく、加速劣化-および環境認定-に合格したと主張しています。屋外および空中での展開では、その区別が重要です。 Glory Optical は、完全なバッチ トレーサビリティを備えた ISO 9001:2015 品質システムに基づいて製造し、IEC、ITU-T、および Telcordia 基準に照らして光学および環境パフォーマンスを社内で検証します。

これがどこに向かっているのか

スプリッタの需要はファイバの導入に追従しており、ファイバの導入は加速しています。受動光コンポーネント市場のスプリッターセグメントは、2030 年まで約 15% の CAGR で成長すると予測されていますFTTH 構築、5G フロントホール、ハイパースケール データセンターによって推進されています。{0}技術的なプレッシャーは、よりフラットな損失でのより高い分割数 (1×64 以降) と、GPON 単体ではなく、新しい XGS-PON および NG-PON2 波長プラン向けに評価されたデバイスに向けられています。実際には、これは、FBT がタップや非対称カプラーの監視というニッチな分野を保持している一方で、PLC が配信において FBT に取って代わるということを意味します。コンポーネントはあまり変わりません。社内に収めなければならない予算はますます厳しくなっています。

よくある質問

Q: ファイバ スプリッタは電力が供給されていない状態ではどのように動作しますか?

A: ガラス内部の全反射を利用しています。デバイスに入射する光は、溶融結合領域 (FBT) またはエッチング導波路 (PLC) を通って導かれ、幾何学的形状によりエネルギーが複数の出力パスに分割されます。電子機器や電源は関係ありません。- 材料の光学特性のみが必要です。

Q: FBT と PLC スプリッタの違いは何ですか?

A: FBT は本物の繊維を融合して引き延ばします。 PLC はチップ上に導波路をエッチングします。 FBT は安価で、非対称比率をサポートしていますが、1×8 分割を超えると精度が失われます。 PLC は、すべてのポートにわたって均一な損失と平坦な 1260 ～ 1650 nm 応答を提供するため、1×8 以上の FTTH スプリットの標準となっています。

Q: 1×32 スプリッターは何世帯に対応できますか?

A: 32-、損失予算が終了すると仮定して、出力ポート - ごとに 1 つ。一般的な +3 dBm GPON 起動と -28 dBm ONT 感度を備えた単一の 1×32 (≈17.5 dB) とファイバーとコネクタは、数キロメートルまでの予算内に快適に収まります。 1×64 も可能ですが、マージンが大幅に少なくなり、より高いクラスの光学系が必要になります。-

Q: 分割比が増加すると挿入損失が増加するのはなぜですか?

A: 固定量の光パワーをより多くの出力に分割しているためです。下限は 10・log₁₀(N) です。出力が 2 倍になるたびに 3 dB が追加されます。実際のデバイスではこれに過剰損失が追加されるため、1×64 は約 21 dB で動作するのに対し、1×2 は 4 dB 未満で動作します。

Q: ファイバー スプリッターは信号を結合することもできますか?

A: はい。スプリッターは双方向です。逆に実行すると、1×N デバイスは N 個の入力を 1 つの出力に結合します - 同じ物理的性質で、PON のアップストリーム トラフィックと、2 つの OLT フィードが相互に保護する 2×N 構成の冗長性に使用されます。

Q: 現場でスプリッタの挿入損失を減らすにはどうすればよいですか?

A: デバイスの固有損失を減らすことはできませんが、損失の増加を止めることはできます。コネクタの端面を清潔に保ち、可能な限り機械的融着接続ではなく低損失融着接続（0.08 dB 以下）を使用し、リターン ロスが高い APC コネクタを優先し、加入者数が許容する最も低い分割比を選択します。{0}