اسپلیتر فیبر نوری چیست و چگونه کار می کند؟

چشم انداز مدرن ارتباطات از راه دور بر اساس قابلیت های فوق العاده فناوری فیبر نوری ساخته شده است. فیبرهای نوری با استفاده از پالس های نور برای انتقال مقادیر زیادی از داده ها در فواصل باورنکردنی با سرعت رعد و برق، جایگزین کابل های مسی به عنوان ستون فقرات بی چون و چرای ارتباطات جهانی شده اند. با این حال، انتقال داده‌ها از یک منبع مرکزی واحد به چند کاربر نهایی نیازمند اجزای نوری غیرفعال پیچیده‌ای است که می‌توانند سیگنال‌ها را بدون نیاز به توان الکتریکی فعال توزیع کنند. در قلب این معماری توزیع، یک دستگاه نوری غیرفعال حیاتی نهفته است: شکاف فیبر نوری. این فناوری با اجازه دادن به یک سیگنال نوری ورودی به چندین سیگنال خروجی یکسان یا متناسب، یا برعکس، ترکیب چندین سیگنال در یک مسیر بالادستی، سنگ بنای شبکه‌های نوری غیرفعال مدرن (PON) را تشکیل می‌دهد و پهنای باند، تلویزیون و تلفن با سرعت بالا را از نظر اقتصادی برای میلیون‌ها مشاغل خانگی و تجاری در جهان می‌سازد.

تعریف دستگاه: فناوری های اصلی و ساخت
در اساسی ترین سطح خود، شکاف فیبر نوری یک دستگاه انشعاب نوری غیرفعال است که یک پرتو نور را به چند قسمت تقسیم می کند یا چندین نور را در یک پرتو ترکیب می کند. برخلاف اجزای فعال شبکه مانند روترها یا سوئیچ‌ها که برای پردازش، تقویت و مسیریابی بسته‌های داده به توان الکتریکی نیاز دارند، یک تقسیم‌کننده کاملاً غیرفعال با استفاده از ویژگی‌های نوری فیزیکی عمل می‌کند. دارای یک یا دو انتهای ورودی و چند انتهای خروجی است، با پیکربندی‌های تقسیم‌بندی معمولاً از نسبت‌های ساده 1:2 و 1:4 تا نسبت‌های عظیم 1:64 یا 1:128 که در استقرارهای مخابراتی در مقیاس بزرگ استفاده می‌شوند.
تولید و ساخت داخلی این دستگاه‌ها به طور کلی بر دو فناوری ساخت متمایز متکی است: فناوری مخروطی دو مخروطی ذوب شده (FBT) و مدار نوری مسطح (PLC). درک تفاوت بین این دو روش برای مهندسان شبکه و طراحان سیستم ضروری است، زیرا هر فناوری بسته به محیط کاربردی خاص، محدوده طول موج عملیاتی و الزامات چگالی، مزایای منحصر به فردی را ارائه می دهد.
تکنولوژی Fused Biconical Taper روش تولید سنتی تر است. این شامل گرفتن دو یا چند الیاف خالی، قرار دادن آنها نزدیک به هم، و ذوب آنها در زیر گرمای شدید در حالی که کشش و طویل بخش ذوب شده است. این فرآیند مخروطی یک ساختار دو مخروطی تخصصی ایجاد می کند که نسبت جفت شدن را بر اساس میزان کشش الیاف و نزدیکی هسته های آنها کنترل می کند. تقسیم‌کننده‌های FBT تولید نسبتاً ساده و مقرون‌به‌صرفه هستند، به‌ویژه برای تقسیم‌بندی‌های کم مانند 1:2 یا 1:4. آنها همچنین مزیت منحصربه‌فردی را ارائه می‌دهند که در طول موج‌های متمایز متعدد، مانند 850 نانومتر، 1310 نانومتر، و 1550 نانومتر به طور همزمان کار می‌کنند و در سیستم‌های قدیمی و محیط‌های آزمایش نوری خاص محبوب هستند. با این حال، تقسیم کننده های FBT از محدودیت هایی در مورد مقیاس پذیری و ثبات دما رنج می برند. با افزایش نسبت تقسیم بیش از 1:8، یکنواختی عملکرد به طور قابل توجهی کاهش می یابد، و نوسانات محیطی می تواند باعث از دست دادن شدید درج شود.
فناوری مدار نور مسطح استاندارد صنعتی مدرن را برای تقسیم نوری با چگالی بالا-در مقیاس بزرگ نشان می‌دهد. یک تقسیم کننده PLC که با استفاده از فرآیندهای لیتوگرافی نیمه هادی ساخته می شود، از یک مدار موجبر نوری ساخته شده بر روی یک بستر شیشه ای کوارتز یا سیلیس تشکیل شده است. فرآیند تولید با قرار دادن لایه‌های سیلیس بر روی یک ویفر سیلیکونی آغاز می‌شود و پس از آن اچ فتولیتوگرافی برای ایجاد مسیرهای هدایت موج دقیقی که معماری شکاف مورد نظر را منعکس می‌کند، آغاز می‌شود. هنگامی که کانال های موجبر ایجاد می شوند، لایه های روکش بالایی اعمال می شوند و آرایه های فیبر به طور دقیق تراز شده و به لبه های تراشه متصل می شوند. تقسیم‌کننده‌های PLC ویژگی‌های عملکرد استثنایی، از جمله قابلیت اطمینان بالا، ردپای فیزیکی فشرده، کانال عالی-تا-یکنواختی کانال، و محدوده طول موج عملیاتی گسترده از 1260 نانومتر تا 1650 نانومتر را ارائه می‌دهند. به دلیل این ویژگی‌های برتر، تقسیم‌کننده فیبر نوری که از فناوری PLC استفاده می‌کند، به انتخابی قاطع برای شبکه‌های مخابراتی مدرن تبدیل شده است که نسبت‌های تقسیم تعداد بالا{11}} را به کار می‌گیرند.

فیزیک زیربنایی: نور چگونه تقسیم می شود
برای درک کامل نحوه عملکرد یک شکاف فیبر نوری، باید اصول نوری موج، انتشار نور و توزیع توان نوری را بررسی کرد. هنگامی که یک پرتو نور از یک فیبر نوری تک حالته عبور می‌کند، به دلیل انعکاس کلی داخلی، در داخل هسته محصور می‌شود، پدیده‌ای که ناشی از اختلاف ضریب شکست بین هسته داخلی و روکش خارجی است. هنگامی که این سیگنال نوری به نقطه اتصال داخل یک شکاف می رسد، معماری فیزیکی دستگاه این محصور شدن را تغییر می دهد و تقسیم توان نوری را مدیریت می کند.
در یک تقسیم کننده PLC، سیگنال نور ورودی وارد موجبر ورودی تک می شود. همانطور که موج نور در ناحیه انشعاب مدار مسطح منتشر می شود، موجبر منفرد به آرامی منبسط می شود و به چندین کانال موجبر منفرد تقسیم می شود. اپتیک موج بنیادی حاکم بر این فرآیند دیکته می کند که توان نوری ورودی بین کانال های خروجی توزیع شود. در حالت ایده آل، در یک تقسیم کننده متعادل، انرژی نوری به طور مساوی در تمام خروجی ها تقسیم می شود. به عنوان مثال، در یک تقسیم‌کننده PLC 1:8، هر پورت خروجی تقریباً یک هشتم از کل توان نوری ورودی را دریافت می‌کند، منهای تلفات ذاتی جزئی ناشی از جذب مواد و عیوب موجبر.
با این حال، تقسیم نیرو بدون هزینه فیزیکی نیست. هر جزء نوری تلفات ورودی را معرفی می کند که نشان دهنده تلفات توان نوری ناشی از قرار دادن اسپلیتر در یک پیوند انتقال است که بر حسب دسی بل (dB) اندازه گیری می شود. از دست دادن تئوری درج یک واقعیت ریاضی اجتناب ناپذیر است که توسط نسبت تقسیم دیکته می شود. برای یک اسپلیتر کاملا متعادل 1:2، حداقل تلفات تقسیم نظری 3.01 دسی بل است، زیرا نیمی از توان به هر پورت هدایت می شود. برای اسپلیتر 1:4، تلفات نظری 6.02 دسی بل، برای اسپلیتر 1:8 9.03 دسی بل، برای اسپلیتر 1:16 12.04 دسی بل، برای اسپلیتر 1:32 15.05 دسی بل و برای اسپلیتر 1.8 دسی بل 1:06 است. در ساخت{23}در دنیای واقعی، تلفات واقعی درج اندکی بیشتر از این حداقل‌های نظری به دلیل تلفات اضافی است، که علت پراکندگی، انعکاس و ناکارآمدی‌های جفت در دستگاه است.
فراتر از از دست دادن درج، چندین معیار عملکرد دیگر بر کارایی عملیاتی یک شکاف فیبر نوری حاکم است. یکنواختی یک معیار مهم است که میزان توزیع یکنواخت توان نوری بین پورت های خروجی را اندازه گیری می کند. جداکننده‌های با کیفیت-تغییر کمتری را در از دست دادن درج بین کانال‌های خروجی با بهترین و بدترین عملکرد نشان می‌دهند. اتلاف وابسته به قطبش (PDL) تغییر در تلفات ورودی ناشی از تغییرات در حالت پلاریزاسیون موج نور را اندازه گیری می کند. علاوه بر این، تلفات برگشتی میزان نور بازتاب شده به سمت عقب را به سمت منبع اندازه گیری می کند. مقادیر تلفات بازگشتی بالا برای جلوگیری از انعکاس{4}}برگشت از اختلال در فرستنده های لیزری و تضعیف یکپارچگی سیگنال ضروری هستند. اتلاف وابسته به طول موج (WDL) تضمین می‌کند که عملکرد تقسیم در کل طیف طول‌موج‌های عملیاتی مورد استفاده در معماری‌های مدرن چند{6} طول موج PON پایدار باقی می‌ماند.

استقرار استراتژیک و کاربردها در مخابرات
تطبیق پذیری، ماهیت غیرفعال، و کارایی{0}هزینه اسپلیتر فیبر نوری، آن را به یک بلوک ساختمانی ضروری در طیف گسترده ای از شبکه های مخابراتی، محیط های سازمانی، و برنامه های صنعتی تخصصی تبدیل کرده است. برجسته‌ترین و گسترده‌ترین استقرار این دستگاه‌ها در شبکه‌های فیبر به خانه (FTTH) و شبکه‌های نوری غیرفعال (PON)، مانند شبکه‌های نوری غیرفعال گیگابیتی (GPON)، شبکه‌های نوری غیرفعال اترنت (EPON) و شبکه‌های متقارن نسل بعدی 10G مانند XGPON{4 رخ می‌دهد.
در یک معماری معمولی FTTH، یک ارائه دهنده خدمات تجهیزات پایانه خط نوری (OLT) را در دفتر مرکزی یا صرافی محلی مستقر می کند. از OLT، یک فیبر تغذیه کننده یک حالت- داده های پایین دستی را به داخل میدان به سمت محله های مسکونی یا تجاری منتقل می کند. اپراتورهای مخابراتی به جای اجرای یک فیبر اختصاصی اختصاصی از دفتر مرکزی برای تک تک مشترکین-که از نظر اقتصادی و فضایی بازدارنده است{4}}از شبکه های توزیع نوری (ODN) مجهز به تقسیم کننده استفاده می کنند. یک فیبر فیدر تکی می تواند وارد یک محفظه توزیع در فضای باز شود که حاوی یک تقسیم کننده فیبر نوری 1:32 یا 1:64 است. از این گره واحد، حداکثر شصت{11}}چهار فیبر توزیع برای خدمات رسانی به محل‌های تک تک مشتریان، به پایانه‌های شبکه نوری (ONT) واقع در خانه یا دفاتر مشترکین ختم می‌شوند. این معماری چند نقطه‌ای-به{14}}به‌شدت مقدار فیبر فیزیکی مورد نیاز را کاهش می‌دهد، تعداد پورت‌های فرستنده گیرنده در دفتر مرکزی را کاهش می‌دهد و هزینه سرمایه کلی را برای اپراتورهای شبکه به حداقل می‌رساند.
معماران شبکه بسته به تراکم مشترک، طرح‌بندی جغرافیایی و مدل‌های تخصیص پهنای باند، از استراتژی‌های تقسیم متفاوتی استفاده می‌کنند. تقسیم متمرکز شامل قرار دادن تمام مراحل تقسیم در یک مکان واحد، مانند هاب یا کابینت توزیع فیبر مرکزی است. این رویکرد عیب‌یابی را ساده می‌کند، پیچیدگی تعمیر و نگهداری را کاهش می‌دهد و امکان نظارت آسان‌تر از دفتر مرکزی را فراهم می‌کند، هرچند که نیاز به اجرای فیبر توزیع طولانی‌تر از هاب به خانه‌های فردی دارد. برعکس، تقسیم آبشاری فرآیند تقسیم را در چندین لایه توزیع می‌کند-مانند یک تقسیم‌کننده 1:4 واقع در یک کابینت خارجی اولیه که به تقسیم‌کننده‌های ثانویه 1:8 نزدیک‌تر به خوشه‌های مشترکین تغذیه می‌شود. تقسیم آبشاری استفاده از فیبر را در محیط‌های پرجمعیت حومه‌ای یا شهری با قرار دادن نقاط تقسیم نزدیک‌تر به مرکز جغرافیایی گروه‌های مشترک بهینه می‌کند و به طور موثر طول فیدر و توزیع فیبر را متعادل می‌کند.
فراتر از استقرار باند پهن FTTH، این مؤلفه‌ها نقش حیاتی در شبکه‌های فیبر هیبریدی{0}هم محوری (HFC) تلویزیون کابلی (CATV)، سیستم‌های نظارت مدار بسته- تلویزیون (CCTV) و چارچوب‌های نظارت صنعتی دارند. در شبکه‌های CATV، تقسیم‌کننده‌های نوری سیگنال‌های ویدئویی آنالوگ و دیجیتال را در پایین‌دست به مناطق متعدد گره توزیع می‌کنند. در شبکه‌های محلی سازمانی (LAN)، تقسیم نوری در معماری‌های LAN نوری غیرفعال (POL) برای جایگزینی سوئیچ‌های اترنت مبتنی بر مس سنتی استفاده می‌شود، که امنیت بالاتر، کاهش مصرف انرژی و مصونیت در برابر تداخل الکترومغناطیسی را ارائه می‌دهد. به‌علاوه، در محیط‌های آزمایش و اندازه‌گیری نوری، تقسیم‌کننده‌های تخصصی به کار گرفته می‌شوند تا بخش کوچکی از توان نوری-مانند 1% یا 2%-را به تحلیل‌گرهای طیف نوری یا قدرت‌سنج‌ها منتقل کنند، که امکان نظارت{10}در زمان واقعی ترافیک لینک‌های انتقال فعال مشتری را بدون وقفه فراهم می‌کند.

معیارهای انتخاب و قالب های بسته بندی برای ادغام بهینه
استقرار موفقیت آمیز یک تقسیم کننده فیبر نوری مستلزم بررسی دقیق فرمت های بسته بندی مکانیکی، دوام محیطی و سازگاری عملیاتی با اکوسیستم های سخت افزاری موجود است. از آنجایی که این قطعات در محیط‌های بسیار متنوع نصب می‌شوند-از اتاق‌های سرور مرکز داده کنترل‌شده با آب و هوا-و بسته‌های اتصال زیرزمینی گرفته تا قطب‌های اتصال هوایی در فضای باز و محفظه‌های صنعتی خشن-تولیدکنندگان طیف گسترده‌ای از فاکتورهای شکل را برای محافظت از تراشه‌های آرایه نوری داخلی ظریف طراحی می‌کنند.
تقسیم‌کننده فیبر لخت فشرده‌ترین قالب بسته‌بندی است که دارای فیبرهای نوری لخت و بدون محافظت است که از بلوک تقسیم خارج می‌شوند. این قالب در درجه اول برای یکپارچه سازی در داخل سینی های اسپلایس، بسته های اتصال فیوژن، یا پچ پانل های نوری که در آن حفاظت مکانیکی داخلی قبلاً توسط محفظه ارائه شده است، طراحی شده است. در حالی که فضای بسیار کارآمد،{2}}تقسیم‌کننده‌های فیبر لخت نیاز به رسیدگی دقیق توسط تکنسین‌ها در حین اتصال دارند تا از آسیب رساندن به الیاف شکننده بافر 250 میکرون یا 900 میکرون جلوگیری شود.
برای استقرارهایی که نیاز به حفاظت مکانیکی بیشتر بدون محفظه حجیم دارند، جداکننده های لوله بدون بلوک یا فولادی به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرند. در این پیکربندی، بسته لوله فولادی تراشه‌های PLC و آرایه‌های فیبر نوری را محصور می‌کند و تقویت ساختاری قوی را ارائه می‌کند و در عین حال نمایه باریک و مینیاتوری مناسب برای فضاهای تنگ داخل سینی‌های مدیریت فیبر، جعبه‌های توزیع یا کاست‌های مدولار را حفظ می‌کند.
هنگامی که جداکننده‌ها باید در محیط‌های ناهموار در فضای باز مستقر شوند، مانند قفل‌های نصب شده با رشته‌های هوایی، محفظه‌های پایه، یا منهول‌های زیرزمینی، جداکننده‌های جعبه ABS یا بدنه‌های مدولار ناهموار انتخاب استاندارد هستند. یک جعبه ABS اسپلیتر را در یک محفظه پلاستیکی بادوام-که دارای چکمه‌های کابلی تقویت‌شده و پیگتیل‌های متصل شده محکم است، می‌پوشاند. این واحدها در برابر تغییرات شدید دما، نفوذ رطوبت، ارتعاشات مکانیکی و عناصر خورنده مقاومت می‌کنند و از زمان کار بدون وقفه شبکه در طول چندین دهه خدمات میدانی اطمینان می‌دهند. علاوه بر این، برای محیط‌های مرکز داده و نصب قفسه‌های مخابراتی،-شکاف‌های نصب‌شده یا کاست{6}مبتنی بر پایه رک-مانند ماژول‌های سازگار LGX-یا قفسه‌های 19{10}اینچی-سوئیچ‌کننده‌های شاسی فعال برای نصب روشن‌کننده‌های فن‌آوری در کنار شاسی فعال هستند. تجهیزات، تسهیل وصله سریع و مدیریت ساختار یافته کابل.
هنگام انتخاب یک تقسیم کننده نوری برای استقرار شبکه خاص، مهندسان باید چندین مشخصات عملیاتی کلیدی را ارزیابی کنند. طول موج عملیاتی بسیار مهم است. در حالی که تقسیم‌کننده‌های مخابراتی استاندارد در عرض پنجره وسیع 1260 تا 1650 نانومتر کار می‌کنند تا داده‌های پایین‌دست، داده‌های بالادست، و پوشش ویدئویی RF 1550 نانومتری یا طول‌موج‌های آزمایش OTDR 1625 نانومتری را در خود جای دهند، محدوده‌های طول موج ناهماهنگ می‌تواند منجر به تضعیف شدید سیگنال شود. انواع رابط‌ها-مانند SC/APC، LC/APC، یا FC/APC- نیز باید به‌دقت با زیرساخت اطراف مطابقت داده شوند. استفاده از جلادهنده تماس فیزیکی زاویه دار (APC) یک روش استاندارد در استقرار PON مدرن است، زیرا پولیش با زاویه 8 درجه، به جای برگشت به سمت منبع لیزر، نور سرگردان را به داخل روکش منعکس می کند و از افت برگشتی بسیار بالا اطمینان می دهد و خطاهای بیتی ناشی از بازتاب را به حداقل می رساند.
آینده شبکه های نوری نوید یکپارچگی بیشتر، تعداد فیبر بیشتر و افزایش توان داده را برای پشتیبانی از فناوری های نوظهور مانند backhaul بی سیم 5G، برنامه های کاربردی اینترنت لمسی، محاسبات لبه و مراکز داده هوش مصنوعی می دهد. همانطور که تقاضای ترافیک داده به طور تصاعدی افزایش می یابد، زیرساخت فیزیکی اساسی باید انعطاف پذیر، مقیاس پذیر و بسیار کارآمد باقی بماند. در این تکامل بی‌امان، شکاف‌کننده فیبر نوری فروتن و در عین حال قدرتمند، یک پیروزی مهندسی بی‌بدیل باقی می‌ماند، و بی‌سروصدا توزیع یکپارچه نور را امکان‌پذیر می‌کند که دنیای مدرن فوق‌-به‌هم‌پیوسته ما را نیرو می‌دهد.