Глава 6. Соединители и разветвители

6.4 Разветвители

6.4.1      Принципы устройства разветвителей

Разветвитель является многопортовым устройством. Портом называется  входная или выходная точка для света. С использованием разветвителей связано несколько видов потерь. На рис. 6.6 представлена схема четырехпортового разветвителя, которая будет использоваться для иллюстрации  основных идей, заложенных в эти конструкции. Стрелками показаны направления возможных потоков света внутри разветвителя. Свет, вошедший| через порт 1, может выходить через порты 2 и 3. В идеале данный источник света не может проявлять себя через порт 4. Аналогично свет, инжектируемый через порт 4, может выходить через порты 2 и 3, но не через порт 1.

Изображенный разветвитель является пассивным и двунаправленным.

Порты 1 и 4 могут служить в качестве входных, а порты 2 и 3 — выходных.

Возможно также обратное распространение света и изменение роли портов.
Рисунок 6.6 Схема четырехпортового двунаправленного разветвителя.

Для анализа потерь представим в качестве входного порт 1 и в качестве выходных — порты 2 и 3. Выходная мощность через порт 2 всегда превосходит выходную мощность через порт 3. Таким образом, порт 2 является| сквозным. Порт 3 является заглушенным портом. Данные термины подчеркивают тот факт, что основная часть мощности выходит через сквозной порт, в то время как менее мощный световой канал является заглушенным!

Сквозные потери определяются отношением выходной мощности через порт 2 к входной мощности через порт 1:

(6.4.1)

Потери заглушенного канала определяются отношением мощности, проходящей через порт 3, к мощности, приходящей на порт 1:

(6.4.2)

Направленность определяется отношением между нежелательным выходом энергии через порт 4 к энергии, входящей через порт 1:

(6.4.3)

В идеале никакая мощность не должна выходить через порт 4 и, следовательно, lossD = 0. На практике некоторая мощность направляется через данный порт и теряется или отражается. Направленность иногда называется изолированностью. Направленность или изолированность в хорошо заглушенном порту составляет 40 дБ или больше; только очень малая часть света выходит через порт 4.

Избыточные потери определяются отношением суммы мощности, выходящей через порты 2 и 3, к входной мощности, подводимой через порт 1:

(6.4.4)

Избыточные потери возникают из-за того, что разветвитель не является идеальным устройством. Потери происходят внутри волокон в разветвителе благодаря наличию рассеяния, поглощения, отражения, выхода через буфер или просто плохой изоляции. В идеальном разветвителе сумма выходных мощностей равна входной: Р2 +Р3 =Р1. В реальном разветвителе сумма выходных мощностей всегда немного меньше по сравнению с входной мощностью из-за избыточных потерь:

(6.4.5)

Избыточные потери не включают в себя потери, связанные с подключением волокон к портам.

Входная мощность должна разделяться между двумя выходными портами. Разделительное отношение разветвителя равно отношению мощностей выходящих через сквозной и заглушенный порты Р2/Рз. Типичные значения отношения равны 1:1, 2:1, 3:1, 6:1 и 10:1. При заданном разделительном отношении соотношение между потерями сквозного и заглушенного портов является постоянной величиной.

В существующих разветвителях потери выходных портов равны сумме индивидуальных потерь портов и избыточных потерь. Если LossTHP  и LossTAP представляют собой потери сквозного и заглушенного портов в реальном разветвителе, действительные потери составляют:

(6.4.6)

Направленный разветвитель симметричен — величина потерь не зависит от того, какой порт является входным, а какой сквозным, заглушенный или изолированный.

6.4.2      Т-разветвитель

Т-разветвитель является трехпортовым устройством. На рисунке 6.7 представлена типичная схема локальной сети с общей шиной. Разветвитель устанавливается на каждом узле и служит для отвода части энергии от шины к приемопередатчику присоединенного к узлу оборудования. Если шина имеет много узлов, то разветвители, как правило, имеют большое разделительное отношение, так что только малая доля светового потока отводится к каждому узлу. При этом сквозной поток существенно превосходит заглушенный.

Рисунок 6.7 Т-разветвитель.

Т-разветвитель чаще всего применяется, когда к шине подключено несколько терминалов. Рассмотрим шины с N терминалами. В этом случае сигнал проходит через N - 1 узлов прежде, чем достигнет приемника. Для разветвителя, имеющего потери только на сквозном и заглушенном портах (т.е. не имеющего избыточных потерь), общие распределительные потери составят

(6.4.7)

Потери увеличиваются линейно с ростом числа терминалов, подключенных к шине.

К сожалению, необходимо учитывать избыточные и соединительные потери (включая связанные с рассогласованием диаметров и апертуры) для| каждого узла. Поскольку на каждом узле используются как входной, так и выходной порты, то общее количество соединений составляет 2N. Последний вид потерь также имеет тенденцию линейного увеличения с ростом числа терминалов, поэтому реальные общие потери составляют

(6.4.8)

По мере увеличения числа подключенных к общей шине терминалов общие потери быстро увеличиваются. В результате Т-разветвители могут эффективно работать только при ограниченном числе терминалов. Разница в потерях между идеальной (имеющей потери только на сквозном и заглушенном портах) и реальной сетью (имеющей также избыточные и соединительные потери) быстро становится заметной.

Выход из строя одного разветвителя не приведет к полному нарушению работы сети. В этом случае она будет представлять собой два сегмента, работающих независимо и разделенных неисправным узлом.

6.4.3      Разветвители типа звезда

Разветвители типа звезда являются альтернативой Т-разветвителям и избавлены от многих перечисленных недостатков. На рисунке 6.8 представлен разветвитель типа звезда, имеющий равное количество входных и выходных портов. В сети, состоящей из N терминалов, данный разветвитель имеет 2N портов. Свет, входящий через любой порт, в равной степени распределяется между всеми выходными портами.

Рисунок 6.8 Разветвитель типа звезда.

Потери включения данного типа разветвителя определяются отношением мощности на каком-либо выходном порте к входной мощности. Таким образом потери включения изменяются в обратной зависимости от числа терминалов

(6.4.9)

Потери не увеличиваются линейно с ростом числа терминалов. При учете избыточных и соединительных потерь распределительные потери составят:

(6.4.10)

В результате разветвитель типа звезда более эффективен в сети с большим количеством станций.

В идеале свет распределяется между всеми выходными портами. На практике это не так. Действительное количество мощности на каждом выходном порте варьируется в зависимости от индивидуальных потерь включения. Однородность разветвителя является параметром, определяющим данные вариации, и выражается как в процентах, так и в децибелах.

Потери в сети типа звезда при наращивании числа рабочих станций увеличиваются медленнее по сравнению с сетью с Т-разветвителями.

Единственным преимуществом сети с Т-разветвителями является меньшая потребность в кабеле. Центральное расположение разветвителя типа звезда приводит к использованию существенно большего количества кабеля для соединения достаточно разнесенных друг от друга терминалов.

На рисунке 6.9 представлена блок-схема сети типа звезда, использующей разветвитель "звезда" 4x4.

Рисунок 6.9 Сеть со звездообразной структурой.

6.4.4      Универсальные разветвители типа звезда

Универсальные разветвители типа звезда содержат N портов, каждый из которых может работать как на прием, так и на передачу. Свет, попавший в любой из портов, может выйти через другой порт.

6.4.5     Сварные разветвители

Сварные разветвители изготавливаются путем скручивания волокон в одной точке и нагревания их в точке скрутки. Стекло плавится и образует однородную массу, при этом свет из любого волокна, проходя через точку сварки, выходит через другие концы всех оставшихся волокон. Передающий разветвитель типа звезда получается в том случае, когда концы каждого волокна находятся только по одну сторону от сварной секции. Разветвитель типа звезда с отражением имеет петлеобразные участки, при этом каждое волокно сваривается в центральной точке дважды. Оба типа разветвителей представлены на рисунке 6.10.

В зависимости от того, как сварены волокна, оптическая мощность может распределяться однородно или неоднородно между волокнами. Сварные разветвители имеют очень малые размеры, около десятых дюйма. Они также характеризуются высокой однородностью.

Рисунок 6.10 Сварные разветвители "звезда".

6.4.6      Центрально-симметричнме разветвители с отражением

В основу устройства центрально-симметричных разветвителей (ЦСР) положено изогнутое зеркало. Пучок света, выходя из какого-либо волокна, расширяется и отражается от зеркала. Отраженный пучок фокусируется и заводится во второе волокно. Конус отражения 1:1 совпадает с конусом падения, точка фокусировки — зеркально симметричная по отношению к точке выхода падающего пучка. Таким образом, название устройства подчеркивает, что падающий и отраженный пучки симметричны относительно центра кривизны.

Рисунок 6.11. Принцип центрально-симметричного отражения

При вращении зеркала меняется кривизна и вместе с ней — траектории пучков. Если добавить в схему третье волокно, то свет от входного волокна может быть направлен в любое из оставшихся приемных волокон в зависимости от положения зеркала. В действительности мы имеем дело с переключателем, позволяющим направлять световой сигнал в одно из двух принимающих волокон.

Рисунок 6.12 Вращение зеркала позволяет переключаться между выходными волокнами.

На эффективность работы ЦСР влияют следующие факторы:

·        Радиус зеркала

·        Показатель преломления среды, размещенной между волокном и зеркалом

·        Диаметр ядра волокна и апертура

·        Угол между волокном и осью зеркала

·        Расстояние между волокнами

Радиус зеркала может быть оптимизирован в зависимости от применяемого волокна, но на практике используется радиус компромиссной величины, адаптированный для широкого спектра размеров волокон и апертур. Радиус зеркала 9.2 мм обеспечивает приемлемую эффективность работы с обычными размерами ядер многомодовых волокон (от 50 до 100 мкм) при размещении волокон в виде параллельного массива. Наклонное расположение волокон сохраняет симметрию между падающим и отраженным пучками, уменьшает потери и позволяет использовать зеркало с радиусом всего лишь в 5 мм. Параллельное размещение волокон требует достаточно точного совмещения ориентации волокон с осью зеркала — допустимое отклонение составляет 0.4 мкм для одномодовых волокон и 2.7 мкм для многомодовых с размерами 100/140. При выполнении данных условий потери могут быть незначительными.

На данных принципах возможно создание широкого спектра устройств, необходимых для волоконно-оптических систем. ЦСР являются высоконаправленными устройствами и позволяют применять различные типы волокон.

6.4.7      Мультиплексоры с разделением длины волны

Мультиплексирование — процесс одновременной передачи нескольких сигналов по одной линии.

В мультиплексировании с разделением длин волн (wavelength-division multiplexing, WDM) используются различные длины волн для двух и более сигналов. Передающие устройства, работающие на различных длинах волн, могут посылать свои оптические сигналы в волокно одновременно. На противоположном конце линии сигналы разделяются по длинам волн. WDM-разветвители служат для группирования отдельных длин волн в одном волокне или для обратного разделения комбинированного сигнала на отдельные составляющие.

Важными способностями WDM-устройства являются перекрестное влияние и разделение каналов. Обе характеристики в основном относятся к принимающему, или демультиплексирующему концу линии связи. Перекрестное влияние или направленность определяет, насколько хорошо разделяются демультиплексированные каналы. Сигнал каждого вида должен присутствовать только в одном, соответствующем этому сигналу, порту.

WDM-разветвители существенно усиливают потенциальные возможности оптического кабеля.

6.4.8      Оптические коммутаторы

Иногда возникает необходимость в переключении света между двумя и более волокнами. Пассивный разветвитель распределяет свет по всем выходящим волокнам, но не выборочно между ними

В FDDI и других оптических сетях с конфигурацией типа token-ring используются проходные коммутаторы для отсоединения станции от сети. Когда станция находится в рабочем состоянии, свет подходит к ее принимающему устройству и выходит из передающего устройства. Если станция не работает, входящая и выходящая линии должны соединяться напрямую, минуя станцию. Сигнал не может пройти узел, минуя станцию (если она выходит из строя или не работает), и сеть также перестает работать. Оптический коммутатор с возможностью пропускать сигнал напрямую поддерживает работу сети при отключенном узле.

Основные принципы работы такого коммутатора аналогичны представленным на рисунке 6.12. Вращающееся зеркало направляет свет в различные волокна. Реальный коммутатор устроен немного сложнее, поскольку содержит более трех волокон.