Porque é que a fibra óptica plástica usa luz vermelha de 650 nm em vez de 850 nm?

Um comprimento de onda como 650 nm pode parecer uma linha simples numa folha de dados de fibra óptica de plástico.

ConvencionalFibra óptica de plástico PMMA (POF)geralmente opera com luz vermelha visível em torno de 650 nm porque a fibra, a fonte óptica, o pacote do transmissor, o receptor e o orçamento de energia óptica disponível trabalham efetivamente juntos nessa região.O comprimento de onda não foi selecionado apenas pela fibra, nem simplesmente porque a luz vermelha é visível.

Isso também explica por que o POF PMMA padrão normalmente não usa 850 nm, embora 850 nm seja amplamente usado em sistemas de fibra de sílica multimodo.,diferentes espectros de atenuação e diferentes ecossistemas optoeletrônicos.

A questão útil, portanto, não é simplesmente: "Porquê 650 nm?"

Por que uma ligação PMMA POF funciona bem como um sistema óptico completo em torno de 650 nm?

Standard PMMA plastic optical fiber commonly operates around 650 nm because this wavelength falls within a useful low-loss transmission window of PMMA and can be matched with practical red LED transmitters and compatible receiversO resultado é uma ligação óptica económica e robusta de curta distância, em vez de um comprimento de onda selecionado apenas pela fibra.

Vários fatores têm de se alinhar ao mesmo tempo:

• A fibra deve ter uma atenuação aceitável no comprimento de onda de funcionamento;

• Um emissor adequado deve gerar energia óptica suficiente nessa região;

• Essa luz deve acoplar-se de forma eficiente ao núcleo grande do POF;

• O receptor deve ter uma sensibilidade adequada ao espectro transmitido;

• A ligação completa deve manter uma margem óptica suficiente no intervalo de distância e temperatura exigido.

É por isso que 650 nm deve ser entendido como umRegião de funcionamento do sistema, não apenas uma propriedade material.

Se a única consideração fosse a atenuação da fibra, os engenheiros poderiam simplesmente identificar o ponto mais baixo de uma curva de atenuação e colocar o transmissor lá.

As ligações ópticas reais são mais complicadas.

Um comprimento de onda de fibra extremamente de baixa perda é de pouco valor prático se emissores eficientes, confiáveis e econômicos são difíceis de obter.um excelente LED não é útil se a fibra absorve fortemente sua saída.

Uma ligação bem-sucedida requer uma sobreposição entre as características espectrais doFibras e componentes optoeletrônicos.

No caso dos PMMA POF convencionais, a região vermelha em torno de 650 nm tornou-se uma das regiões de funcionamento em que esses requisitos podiam ser satisfeitos em conjunto.

A atenuação da fibra não é constante com o comprimento de onda.

Quando a energia óptica viaja através de uma fibra, parte dessa energia é perdida por absorção, dispersão, imperfeições e outros mecanismos.A contribuição relativa desses mecanismos muda com o comprimento de onda.

A PMMA não tem, portanto, um valor de perda uniforme que se aplique a todas as cores de luz.

PMMA Mudanças de atenuação óptica com comprimento de onda

O PMMA é um polímero orgânico cuja estrutura molecular contém ligações carbono-hidrogénio.As vibrações moleculares associadas a estas ligações contribuem para as bandas de absorção e os tons em todo o espectro óptico..

Como resultado, o espectro de atenuação contém regiões de perdas relativamente elevadas e relativamente baixas em vez de uma linha horizontal lisa.

O POF PMMA convencional tem várias regiões de baixa perda relativa em todo o espectro visível, incluindo uma importante janela de transmissão vermelha em torno de 650 nm.

Para os engenheiros de comunicação, a consequência importante é simples:

A mudança de comprimento de onda muda a rapidez com que a fibra consome energia óptica.

A região vermelha em torno de 650 nm fornece atenuação suficientemente baixa para as distâncias curtas em que o POF PMMA padrão de 1 mm é comumente usado.

A atenuação do PMMA POF perto desta região é normalmente discutida em uma base por metro, em vez dos níveis muito baixos de perda por quilômetro associados à fibra de sílica de longa distância.

Isto não faz da PMMA um substituto da fibra de vidro de longa distância de baixa perda, mas reflete um objectivo de engenharia diferente.

As ligações POF PMMA industriais são geralmente curtas. Dentro dessas distâncias, 650 nm fornece uma combinação viável de perda de fibra, disponibilidade de fonte óptica, tolerância de acoplamento e desempenho do receptor.

Não necessariamente.

Esta distinção é importante porque o PMMA tem mais de uma região de perda relativamente baixa no espectro visível.Outros comprimentos de onda visíveis também podem fornecer atenuação favorável dependendo da composição da fibra e das condições de medição.

Portanto, dizer que o POF usa 650 nm simplesmente porque 650 nm é o comprimento de onda de menor perda do PMMA é muito simplista.

A explicação mais útil é que650 nm oferece uma combinação favorável a nível do sistema de transmissão de PMMA e optoeletrônica vermelha madura.

Essa combinação é mais importante do que identificar o ponto mais baixo da curva de atenuação da fibra isoladamente.

Uma vez considerado o espectro de fibras, a próxima parte do sistema é a fonte óptica.

Muitos transmissores POF industriais usam LEDs vermelhos cuja emissão é centrada perto da janela de transmissão vermelha PMMA. Isso permite que a fonte óptica e a fibra operem como um par combinado.

Um LED não emite toda a sua potência óptica num comprimento de onda matematicamente exato.

Tem uma distribuição espectral em torno de um comprimento de onda central. Essa distribuição é importante porque cada parte do espectro emitido viaja através de uma fibra cuja atenuação também varia com o comprimento de onda.

Combinação de um LED vermelho de 650 nm com a janela de transmissão PMMA

Um transmissor POF deve, por conseguinte, ser avaliado por mais do que um rótulo, como por exemplo ¥650 nm.

Os parâmetros relevantes incluem:

• comprimento de onda central;

• largura espectral;

• potência de saída óptica acoplada;

• eficiência de acoplamento na fibra;

• mudança de comprimento de onda com a temperatura;

• variação da potência de saída com a temperatura e o envelhecimento.

Se o espectro do emissor se mover em direção a uma parte de maior perda da curva de atenuação do PMMA, a fibra consome mais da margem óptica disponível.

O LED e a fibra são, portanto, componentes acoplados espectralmente do mesmo elo.

Para ligações PMMA convencionais de curto alcance, os LEDs oferecem uma combinação prática de saída óptica, eletrônica de acionamento simples, robustez mecânica e custo.

O grande núcleo do POF padrão também torna possível um acoplamento eficiente sem as tolerâncias de alinhamento extremamente apertadas associadas a muitos sistemas ópticos de pequeno núcleo.

Isto não significa que um LED seja universalmente superior a um laser.um LED vermelho fornece o nível de desempenho necessário sem adicionar complexidade óptica desnecessária.

É aqui que as comparações entre POF e fibra de vidro muitas vezes se tornam enganosas.

Um engenheiro familiarizado com a óptica do centro de dados pode ver 850 nm usados em todos os sistemas de fibra multimodo e razoavelmente perguntar por que o mesmo comprimento de onda não é simplesmente usado para POF.

A resposta é que850 nm pertence a uma combinação diferente de fibra e emissor.

O PMMA e a sílica são materiais quimicamente diferentes, pelo que os seus mecanismos de absorção e as suas janelas de comprimento de onda úteis são diferentes.

Um comprimento de onda que funciona muito bem na sílica não é automaticamente um bom comprimento de onda operacional no PMMA.

Para PMMA convencional, a atenuação aumenta substancialmente à medida que o comprimento de onda operacional se afasta de suas janelas de transmissão visíveis úteis para grande parte da região do infravermelho próximo.Essa perda de fibra adicional consome o orçamento de energia óptica disponível mais rapidamente.

Uma fonte de 850 nm ainda pode injetar luz em PMMA. A questão não é se a luz entra fisicamente na fibra.

A questão é se o resultadoPerda de ligação aceitável para a distância pretendida e sensibilidade do receptor.

A fibra de sílica multimodo seguiu um caminho de engenharia diferente.

As fibras multimodo modernas OM3 e OM4 são especificamente otimizadas para transmissão a laser em torno de 850 nm e são comumente emparelhadas com transmissores VCSEL de 850 nm.

O sistema mais vasto é, portanto, construído em torno de uma combinação diferente:

fibra de sílica multimodo + 850 nm VCSEL + receptor de alta velocidade + interface de transceptor padronizada

O POF industrial convencional evoluiu em torno de outra combinação:

650 nm PMMA POF vs 850 nm Fibra de Silício Multimodo

Fibra PMMA + emissor vermelho de aproximadamente 650 nm + transmissor/receptor POF + interface óptica de grande núcleo

A diferença não é, portanto:

650 nm = tecnologia mais antiga
850 nm = tecnologia mais avançada

A diferença real é que cada material de fibra foi otimizado juntamente com o seu próprio ecossistema emissor e receptor.

Nenhum comprimento de onda é inerentemente melhor.

Cada um faz sentido no sistema óptico para o qual foi desenvolvido.

A maneira mais fácil de entender o POF industrial é parar de tratar o comprimento de onda como uma especificação independente.

Um elo de trabalho pode ser representado como:

Fibra + LED + Transmissor + Receptor: O Link POF Completo

sinal elétrico → transmissor → LED → POF → receptor → sinal elétrico

Cada estágio afeta se a potência óptica suficiente atinge o receptor com margem suficiente.

O transmissor determina a potência óptica lançada na fibra e o espectro sobre o qual essa potência é distribuída.

O seu comportamento real também muda com as condições operacionais.

O comprimento de onda central de um LED vermelho não é completamente fixo.

Isto significa que um transmissor rotulado 650 nm não deve ser tratado como uma fonte perfeitamente monocromática operando a exatamente 650 nm em todas as condições.

A preocupação prática é se o espectro do transmissor continua a se sobrepor favoravelmente à janela de transmissão PMMA em toda a faixa operacional necessária.

A atenuação da fibra pode ser aproximada como:

Perda de fibra = atenuação no comprimento de onda de funcionamento × comprimento da fibra

Mas a perda de fibras é apenas uma parte de um sistema real.

Conectores, interfaces de acoplamento, tolerâncias de componentes, efeitos de temperatura, envelhecimento do transmissor e reserva de projeto também podem consumir margem.

Uma relação de ligação óptica simplificada é, portanto:

Orçamento de energia disponível entre transmissor e receptor − perdas de acoplamento e de ligação − perdas de fibra − margem necessária = margem de ligação remanescente

Na prática, o comprimento máximo de ligação é determinado pelo efeito combinado da saída do transmissor, sensibilidade do receptor, atenuação da fibra, perdas de ligação, variação de temperatura,e a margem reservada para uma operação fiável.

Na outra extremidade do cabo, o receptor tem um requisito mínimo de entrada óptica.

Se a potência for perdida em excesso antes de o sinal atingir esse ponto, não se pode mais garantir uma operação confiável.

É por isso que o comprimento de onda afeta a distância de transmissão, mesmo que a eletrônica do transmissor e a geometria do cabo permaneçam inalteradas.

Um maior coeficiente de atenuação significa mais perdas por metro. Se todas as outras partes do sistema permanecem as mesmas, a margem óptica disponível é esgotada numa distância mais curta.

A resposta depende de quão longe o comprimento de onda se move e onde se move no espectro de atenuação de fibras.

A orientação de aplicação HFBR da Broadcom fornece um exemplo útil de engenharia.

Na ligação POF referenciada, a Broadcom relata que a atenuação da fibra a 650 nm é de aproximadamente00,05 dB/m inferior a 660 nmOs sistemas POF anteriores também usavam emissores GaAsP de classe 660 nm, enquanto os dispositivos AlInGaP posteriores aproximaram a região operacional de 650 nm.

Uma diferença de 0,05 dB/m pode parecer pequena.

Em 50 m de fibra, no entanto, essa diferença corresponde a aproximadamente 2,5 dB de perda óptica.

Isso é suficiente para importar num elo que opera perto do seu limite de orçamento de energia.

O exemplo ilustra um princípio importante: mesmo dentro da região vermelha, a seleção do comprimento de onda pode influenciar a distância utilizável.

Mudar de 650 para 660 nm mantém o emissor perto da região de operação vermelha convencional.

Passar de 650 para 850 nm é uma mudança fundamentalmente diferente.

As características de atenuação do PMMA padrão são muito menos favoráveis em grande parte desta região do infravermelho próximo.

A lição prática é simples:

A substituição de um transmissor POF de 650 nm por uma fonte de 850 nm não preserva o orçamento de ligação original simplesmente porque ambas as fontes podem lançar luz na fibra.

O espectro completo de atenuação deve ser considerado.

Os equipamentos industriais nem sempre funcionam à temperatura ambiente.

A temperatura pode mudar o espectro do LED e alterar sua saída óptica.

Por conseguinte, uma ligação POF robusta tem de funcionar não só a uma temperatura ambiente nominal, mas também no intervalo de temperatura de funcionamento exigido.

Esta é outra razão pela qual as especificações do transmissor e da fibra devem ser avaliadas juntas.

O ecossistema Broadcom/Avago HFBR fornece um exemplo prático de como um comprimento de onda operacional é estabelecido a nível do sistema.

O transmissor da classe HFBR-1528Z da Broadcom usa umLED de 650 nme é concebido para acoplamento em1 mm POFNa arquitetura de ligação HFBR correspondente, esta combinação suporta ligações POF industriais de curta distância definidas, incluindo configurações especificadas para distâncias de até 50 m.

A mesma arquitetura de 650 nm também aparece em famílias de HFBR mais rápidas, como o HFBR-0507ETZ, que combina um transmissor de 650 nm com 1 mm POF para ligações de curto alcance 125-Mbaud.

O 650 nm Industrial HFBR POF Ecosystem

O ponto importante não é o número da peça individual.

É a arquitetura.

O transmissor, o receptor, a geometria da fibra, a família de conectores, os níveis de potência óptica e os circuitos de aplicação foram projetados para funcionar juntos.

Uma vez que tal ecossistema é estabelecido, o comprimento de onda torna-se incorporado em mais do que o próprio LED.

• Construção do transmissor;

• resposta espectral do receptor;

• especificações de fibras;

• Projeto dos conectores e acoplamentos;

• circuitos de aplicação;

• Calculos de orçamento de ligação;

• dados de qualificação;

• equipamento instalado;

• Compatibilidade com os componentes de substituição.

A mudança de 650 para 850 nm não seria, portanto, uma simples substituição do LED, mas exigiria uma reconsideração da ligação óptica completa.

Esta é uma das razões pelas quais os produtos Broadcom/Avago HFBR e as plataformas POF industriais semelhantes permaneceram estreitamente associados à operação vermelha visível.

- Não, não.

O termoFibras ópticas de plásticodescreve uma categoria de tecnologia ampla, não um material e comprimento de onda universal.

A discussão relativa aos 650 nm aplica-se principalmente aos POF PMMA convencionais amplamente utilizados em ligações de comunicação industriais e de consumo de curta distância.

Outras composições de polímeros e estruturas de fibras podem ter características de atenuação muito diferentes e suportar regiões de comprimento de onda muito além da janela PMMA convencional de 650 nm.

Este limite é importante.

Seria, portanto, incorreto dizer:

Todos os POF devem utilizar 650 nm.

Uma declaração mais precisa é:

Cerca de 650 nm é a região de funcionamento estabelecida para os sistemas POF PMMA convencionais, porque corresponde às características ópticas do PMMA com um ecossistema maduro de emissores e receptores vermelhos.

A utilização de luz vermelha de 650 nm em PMMA POF não é um acidente histórico e não é simplesmente uma questão de escolha de uma cor visível.

Vem de uma cadeia de relações de engenharia:

Material de fibra → espectro de atenuação → janela de transmissão prática → fonte óptica → receptor → orçamento de energia → distância de ligação admissível

O PMMA fornece janelas de transmissão úteis na região visível.e requisitos de conduçãoOs receptores e as famílias de transmissores industriais foram posteriormente concebidos em torno dessa combinação.

A fibra multimodo de sílica seguiu outro caminho, com VCSELs de 850 nm e fibra OM3/OM4 otimizada por laser.

É por isso que a comparação correta não é simplesmente650 nm versus 850 nm.

É:

PMMA + optoeletrónica de 650 nm versus MMF de sílica + optoeletrónica de 850 nm.

No projeto de ligação óptica, o comprimento de onda só faz sentido quando o sistema completo é considerado.

O POF PMMA convencional geralmente usa aproximadamente 650 nm porque essa região fornece uma janela de fibra útil de baixa perda que pode ser combinada com transmissores LED vermelhos práticos e receptores compatíveis.O comprimento de onda é, portanto, o resultado da otimização completa do link em vez de uma propriedade de fibra apenas.

Não necessariamente. O PMMA tem mais de uma região relativamente de baixa perda no espectro visível.A importância de 650 nm vem da combinação de atenuação de fibra aceitável e componentes optoeletrônicos vermelhos maduros, não sendo o único ou o ponto de atenuação mais baixo universal.

Sim, a luz a 850 nm pode propagar-se fisicamente através do PMMA POF.O PMMA convencional tem geralmente uma atenuação muito menos favorável nessa região do que em torno das suas janelas de transmissão visíveis úteis.A perda óptica resultante pode, portanto, reduzir significativamente a distância de transmissão utilizável.

A fibra de sílica multimodo tem características materiais diferentes do PMMA e foi otimizada para transmissão de alta velocidade em torno de 850 nm.Os sistemas modernos OM3 e OM4 combinam transmissores VCSEL de 850 nm com fibra multimodo de sílica otimizada por laser, formando um ecossistema óptico diferente do PMMA POF.

Os sistemas Broadcom/Avago HFBR POF combinam transmissores vermelhos, receptores compatíveis, POF de 1 mm, conectores e orçamentos de potência óptica definidos como um link óptico integrado de curta distância.O uso de aproximadamente 650 nm reflete, portanto, a arquitetura mais ampla do sistema PMMA POF em vez de uma escolha de transmissor isolado.

Sim. A atenuação da fibra muda com o comprimento de onda. se mudar para outro comprimento de onda aumenta a atenuação, a fibra consome mais energia óptica por metro. a menos que a saída do transmissor, sensibilidade do receptor,Se a perda adicional for compensada por outra parte do sistema, a distância máxima de transmissão fiável diminui.