Perché la fibra ottica di plastica utilizza la luce rossa da 650 nm invece di quella da 850 nm?

Una lunghezza d'onda di 650 nm può apparire come una semplice linea in una scheda di dati in fibra ottica di plastica.

ConventionaleFibra ottica di plastica PMMA (POF)opera comunemente con luce rossa visibile intorno a 650 nm perché la fibra, la sorgente ottica, il pacchetto trasmettitore, il ricevitore e il budget di potenza ottica disponibile lavorano efficacemente insieme in quella regione.La lunghezza d'onda non è stata selezionata dalla sola fibra, né semplicemente perché la luce rossa è visibile.

Questo spiega anche perché lo standard PMMA POF non utilizza normalmente 850 nm, anche se 850 nm è ampiamente utilizzato nei sistemi di fibra di silice multimodo.,diversi spettri di attenuazione e diversi ecosistemi optoelettronici.

La domanda utile, quindi, non è semplicemente: "Perché 650 nm?"

Perché un collegamento PMMA POF funziona bene come sistema ottico completo intorno ai 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 receiversIl risultato è un collegamento ottico economico e robusto a breve distanza, piuttosto che una lunghezza d'onda selezionata dalla sola fibra.

Diversi fattori devono essere allineati contemporaneamente:

• la fibra deve avere un'attenuazione accettabile alla lunghezza d'onda di funzionamento;

• un emittente idoneo deve generare una potenza ottica sufficiente in tale regione;

• tale luce deve accoppiarsi in modo efficiente al grande nucleo del POF;

• il ricevitore deve avere una sensibilità adeguata allo spettro trasmesso;

• il collegamento completo deve mantenere un margine ottico sufficiente nella distanza e nell'intervallo di temperatura richiesti.

Questo è il motivo per cui 650 nm dovrebbe essere inteso come unregione di funzionamento del sistema, non solo una proprietà materiale.

Se l'attenuazione della fibra fosse l'unica considerazione, gli ingegneri potrebbero semplicemente individuare il punto più basso di una curva di attenuazione e posizionare il trasmettitore lì.

I veri collegamenti ottici sono piu' complicati.

Una lunghezza d'onda di fibra estremamente bassa di perdita è di scarso valore pratico se sono difficili da ottenere emittenti efficienti, affidabili ed economici.un eccellente LED non è utile se la fibra assorbe fortemente la sua potenza.

Un collegamento di successo richiede sovrapposizioni tra le caratteristiche spettrali delfibre e componenti optoelettronici.

Per i POF PMMA convenzionali, la regione rossa attorno ai 650 nm è diventata una delle regioni operative in cui tali requisiti possono essere soddisfatti insieme.

L'attenuazione della fibra non è costante con la lunghezza d'onda.

Quando la potenza ottica attraversa una fibra, una parte di quella potenza viene persa per assorbimento, dispersione, imperfezioni e altri meccanismi.Il contributo relativo di questi meccanismi cambia con la lunghezza d'onda.

Il PMMA non ha quindi un valore di perdita uniforme applicabile a tutti i colori di luce.

Modifiche dell'attenuazione ottica PMMA con la lunghezza d'onda

Il PMMA è un polimero organico la cui struttura molecolare contiene legami carbonio-idrogeno.Vibrazioni molecolari associate a questi legami contribuiscono a bande di assorbimento e suoni attraverso lo spettro ottico.

Di conseguenza, lo spettro di attenuazione contiene regioni di perdite relativamente elevate e relativamente basse invece di una linea orizzontale liscia.

Il POF PMMA convenzionale ha diverse regioni di bassa perdita relativa nello spettro visibile, tra cui un'importante finestra di trasmissione rossa intorno ai 650 nm.

Per gli ingegneri della comunicazione, la conseguenza importante è semplice:

Cambiare lunghezza d'onda cambia la velocità con cui la fibra consuma energia ottica.

La regione rossa attorno ai 650 nm fornisce un'attenuazione sufficientemente bassa per le brevi distanze in cui viene comunemente utilizzato il POF PMMA standard da 1 mm.

L'attenuazione del PMMA POF vicino a questa regione è normalmente discussa su base per metro piuttosto che sui livelli di perdita per chilometro molto bassi associati alla fibra di silice a lunga distanza.

Ciò non rende il PMMA un sostituto della fibra di vetro a lungo raggio a basse perdite, ma riflette un obiettivo di ingegneria diverso.

I collegamenti POF PMMA industriali sono generalmente brevi. All'interno di tali distanze, 650 nm fornisce una combinazione praticabile di perdita di fibra, disponibilità della sorgente ottica, tolleranza di accoppiamento e prestazioni del ricevitore.

Non necessariamente.

Questa distinzione è importante perché il PMMA ha più di una regione relativamente a bassa perdita nello spettro visibile.Altre lunghezze d'onda visibili possono anche fornire attenuazione favorevole a seconda della composizione della fibra e delle condizioni di misurazione.

Pertanto, affermare che POF utilizza 650 nm semplicemente perché ¢650 nm è la lunghezza d'onda a minore perdita di PMMA ¢ è troppo semplicistico.

La spiegazione piu' utile e' che650 nm offre una combinazione favorevole a livello di sistema di trasmissione PMMA e optoelettronica rossa matura.

Questa combinazione è più importante dell'individuazione del punto più basso della curva di attenuazione della fibra in isolamento.

Una volta considerato lo spettro delle fibre, la parte successiva del sistema è la sorgente ottica.

Molti trasmettitori POF industriali utilizzano LED rossi la cui emissione è centrata vicino alla finestra di trasmissione rossa PMMA. Questo consente alla fonte ottica e alla fibra di funzionare come una coppia abbinata.

Un LED non emette tutta la sua potenza ottica ad una lunghezza d'onda matematicamente esatta.

Ha una distribuzione spettrale attorno a una lunghezza d'onda centrale, che è importante perché ogni parte dello spettro emesso viaggia attraverso una fibra la cui attenuazione varia anche con la lunghezza d'onda.

Abbinamento di un LED rosso da 650 nm alla finestra di trasmissione PMMA

Un trasmettitore POF deve pertanto essere valutato in base a più di un'etichetta, come ¥650 nm.

I parametri pertinenti includono:

• lunghezza d'onda centrale;

• larghezza spettrale;

• potenza di uscita ottica accoppiata;

• efficienza di accoppiamento nella fibra;

• spostamento della lunghezza d'onda con la temperatura;

• variazione della potenza di uscita con la temperatura e l'invecchiamento.

Se lo spettro dell'emittente si sposta verso una parte con perdite più elevate della curva di attenuazione PMMA, la fibra consuma più del margine ottico disponibile.

Il LED e la fibra sono quindi componenti accoppiati spettrali di uno stesso collegamento.

Per i collegamenti PMMA convenzionali a corto raggio, i LED offrono una combinazione pratica di uscita ottica, elettronica di azionamento semplice, robustezza meccanica e costo.

Il grande nucleo del POF standard rende possibile anche un accoppiamento efficiente senza le tolleranze di allineamento estremamente strette associate a molti sistemi ottici a piccolo nucleo.

Questo non significa che un LED sia universalmente superiore a un laser.un LED rosso fornisce il livello di prestazioni richiesto senza aggiungere complessità ottica inutile.

È qui che i confronti tra POF e fibra di vetro spesso diventano fuorvianti.

Un ingegnere a conoscenza dell'ottica dei data center può vedere 850 nm utilizzati in tutti i sistemi di fibra multimode e ragionevolmente chiedersi perché la stessa lunghezza d'onda non viene semplicemente utilizzata per POF.

La risposta è che850 nm appartiene a una diversa combinazione di fibra ed emittente.

Il PMMA e la silice sono materiali chimicamente diversi, quindi i loro meccanismi di assorbimento e le loro lunghezze d'onda utili sono diversi.

Una lunghezza d'onda che funziona molto bene nella silice non è automaticamente una buona lunghezza d'onda operativa nella PMMA.

Per il PMMA convenzionale, l'attenuazione aumenta sostanzialmente man mano che la lunghezza d'onda di funzionamento si allontana dalle sue utili finestre di trasmissione visibili in gran parte della regione vicino all'infrarosso.Quella perdita di fibra aggiuntiva consuma il budget di potenza ottica disponibile più rapidamente.

Una sorgente di 850 nm può ancora iniettare luce nella PMMA.

La questione è se il risultatola perdita di collegamento è accettabile per la distanza prevista e la sensibilità del ricevitore.

La fibra di silice multimodo ha seguito un percorso di ingegneria diverso.

Le moderne fibre multimode OM3 e OM4 sono specificamente ottimizzate per la trasmissione laser intorno a 850 nm e sono comunemente abbinate a trasmettitori VCSEL a 850 nm.

Il sistema più ampio è quindi costruito attorno a una combinazione diversa:

fibra di silice multimodo + 850 nm VCSEL + ricevitore ad alta velocità + interfaccia di trasmettitore-ricevitore standardizzata

Il POF industriale convenzionale si è evoluto intorno a un'altra combinazione:

650 nm PMMA POF vs 850 nm Fibra di silice multimoda

Fibra PMMA + emittente rossa di circa 650 nm + trasmettitore/ricevitore POF + interfaccia ottica a grande nucleo

La differenza non è quindi:

650 nm = tecnologia precedente
850 nm = tecnologia più avanzata

La vera differenza è che ogni materiale in fibra è stato ottimizzato insieme al proprio ecosistema di emittenti e ricevitori.

Nessuna delle due lunghezze d'onda è intrinsecamente migliore.

Ognuno ha senso nel sistema ottico per il quale è stato sviluppato.

Il modo più semplice per comprendere il POF industriale è smettere di trattare la lunghezza d'onda come una specifica indipendente.

Un collegamento di lavoro può essere rappresentato come:

Fibra + LED + Trasmettitore + Ricevitore: il collegamento POF completo

Segnale elettrico → trasmettitore → LED → POF → ricevitore → segnale elettrico

Ciascun stadio influisce sul fatto che una potenza ottica sufficiente raggiunga il ricevitore con un margine sufficiente.

Il trasmettitore determina la potenza ottica lanciata nella fibra e lo spettro su cui tale potenza è distribuita.

Anche il suo comportamento reale cambia con le condizioni operative.

La lunghezza d'onda centrale di un LED rosso non è completamente fissa.

Ciò significa che un trasmettitore etichettato 650 nm non dovrebbe essere trattato come una sorgente perfettamente monocromatica che opera a esattamente 650 nm in ogni condizione.

La preoccupazione pratica è se lo spettro del trasmettitore continui a sovrapporsi favorevolmente con la finestra di trasmissione PMMA lungo il range operativo richiesto.

L'attenuazione della fibra può essere approssimativa come:

Perdita di fibra = attenuazione alla lunghezza d'onda di funzionamento × lunghezza della fibra

Ma la perdita di fibre è solo una parte di un sistema reale.

Anche i connettori, le interfacce di accoppiamento, le tolleranze dei componenti, gli effetti della temperatura, l'invecchiamento del trasmettitore e la riserva di progettazione possono consumare margine.

Un rapporto di collegamento ottico semplificato è quindi:

Bilancio di potenza disponibile tra trasmettitore e ricevitore − perdite di accoppiamento e di connessione − perdite di fibra − margine richiesto = margine di collegamento rimanente

In pratica, la lunghezza massima del collegamento è determinata dall'effetto combinato dell'uscita del trasmettitore, della sensibilità del ricevitore, dell'attenuazione della fibra, delle perdite di connessione, delle variazioni di temperatura,e il margine riservato a un funzionamento affidabile.

All'altra estremità del cavo, il ricevitore ha un requisito minimo di ingresso ottico.

Se si perde troppa potenza prima che il segnale raggiunga quel punto, non si può più garantire un funzionamento affidabile.

Questo è il motivo per cui la lunghezza d'onda influenza la distanza di trasmissione anche se l'elettronica del trasmettitore e la geometria del cavo rimangono invariate.

Un coefficiente di attenuazione più elevato significa una maggiore perdita per metro. Se ogni altra parte del sistema rimane la stessa, il margine ottico disponibile viene esaurito su una distanza più breve.

La risposta dipende da quanto la lunghezza d'onda si muove e da dove si muove nello spettro di attenuazione delle fibre.

La guida di applicazione HFBR di Broadcom fornisce un utile esempio di ingegneria.

Nel collegamento POF a cui si fa riferimento, Broadcom riporta che l'attenuazione della fibra a 650 nm è di circa00,05 dB/m inferiore a 660 nmI sistemi POF precedenti utilizzavano anche emittenti GaAsP di classe 660 nm, mentre i dispositivi AlInGaP successivi hanno spostato la regione operativa verso 650 nm.

Una differenza di 0,05 dB/m può sembrare piccola.

Per 50 m di fibra, tuttavia, tale differenza corrisponde a circa 2,5 dB di perdita ottica.

Questo è sufficiente per un collegamento che opera vicino al limite del suo budget energetico.

L'esempio illustra un principio importante: anche all'interno della regione rossa, la selezione della lunghezza d'onda può influenzare la distanza utilizzabile.

Il passaggio da 650 a 660 nm mantiene l'emittente vicino alla regione di funzionamento conventionale rosso.

Passare da 650 a 850 nm è un cambiamento fondamentalmente diverso.

Le caratteristiche di attenuazione del PMMA standard sono molto meno favorevoli in gran parte di questa regione del vicino infrarosso.

La lezione pratica è semplice:

La sostituzione di un trasmettitore POF a 650 nm con una fonte a 850 nm non preserva il budget di collegamento originale semplicemente perché entrambe le fonti possono lanciare luce nella fibra.

Occorre considerare l'intero spettro di attenuazione.

Le apparecchiature industriali non sempre funzionano a temperatura ambiente.

La temperatura può spostare lo spettro del LED e cambiare la sua uscita ottica.

Un collegamento POF robusto deve quindi funzionare non solo a temperatura ambiente nominale, ma anche nell'intervallo di temperatura di funzionamento richiesto.

Questo è un altro motivo per cui le specifiche del trasmettitore e della fibra devono essere valutate insieme.

L'ecosistema Broadcom/Avago HFBR fornisce un esempio pratico di come una lunghezza d'onda operativa viene stabilita a livello di sistema.

Il trasmettitore di classe HFBR-1528Z di Broadcom utilizza unLED da 650 nme è progettato per essere accoppiato in1 mm POFNell'architettura di collegamento HFBR corrispondente, questa combinazione supporta collegamenti POF industriali a corta distanza definiti, comprese le configurazioni specificate per distanze fino a 50 m.

La stessa architettura a 650 nm appare anche nelle famiglie HFBR più veloci come l'HFBR-0507ETZ, che combina un trasmettitore a 650 nm con 1 mm POF per collegamenti 125-Mbaud a corto raggio.

L'ecosistema HFBR POF industriale a 650 nm

Il punto importante non è il numero della singola parte.

E' l'architettura.

Il trasmettitore, il ricevitore, la geometria delle fibre, la famiglia dei connettori, i livelli di potenza ottica e i circuiti applicativi sono stati progettati per lavorare insieme.

Una volta stabilito un tale ecosistema, la lunghezza d'onda viene incorporata in più di un LED.

• costruzione del trasmettitore;

• risposta spettrale del ricevitore;

• le specifiche delle fibre;

• la progettazione dei connettori e degli accoppiamenti;

• circuiti di applicazione;

• calcoli di bilancio di collegamento;

• dati relativi alle qualifiche;

• attrezzature installate;

• la compatibilità tra componenti di ricambio.

Il passaggio da 650 a 850 nm non sarebbe quindi una semplice sostituzione del LED, ma richiederebbe di riconsiderare l'intero collegamento ottico.

Questo è uno dei motivi per cui i prodotti Broadcom/Avago HFBR e le piattaforme POF industriali simili sono rimasti strettamente associati al funzionamento a rosso visibile.

- No, no, no, no.

Il terminefibre ottiche di plasticaDescrive un'ampia categoria di tecnologie, non un materiale e una lunghezza d'onda universali.

La discussione sui 650 nm si applica principalmente ai POF PMMA convenzionali ampiamente utilizzati nei collegamenti di comunicazione industriali e di consumo a breve distanza.

Altre composizioni polimeriche e strutture in fibra possono avere caratteristiche di attenuazione molto diverse e supportare regioni di lunghezza d'onda ben oltre la finestra PMMA convenzionale a 650 nm.

Questo confine è importante.

Sarebbe quindi errato affermare:

Tutti i POF devono utilizzare 650 nm.

Una dichiarazione più accurata è:

Circa 650 nm è la regione di funzionamento stabilita per i sistemi POF PMMA convenzionali perché corrisponde alle caratteristiche ottiche di PMMA con un ecosistema di emettitori e ricevitori rossi maturi.

L'utilizzo della luce rossa a 650 nm nei POF PMMA non è un caso storico e non è semplicemente una questione di scelta di un colore visibile.

Proviene da una catena di relazioni di ingegneria:

Materiale di fibra → spettro di attenuazione → finestra di trasmissione pratica → sorgente ottica → ricevitore → budget di potenza → distanza di collegamento ammissibile

Il PMMA fornisce utili finestre di trasmissione nella regione visibile.e requisiti di guidaSuccessivamente furono progettate famiglie di ricevitori e trasmettitori industriali attorno a questa combinazione.

La fibra di silice multimodo ha seguito un altro percorso, con VCSEL a 850 nm e fibra OM3/OM4 ottimizzata per laser.

È per questo che il giusto confronto non è semplicemente650 nm contro 850 nm.

È:

PMMA + optoelettronica a 650 nm rispetto a MMF a silice + optoelettronica a 850 nm.

Nella progettazione del collegamento ottico, la lunghezza d'onda ha senso solo quando si considera il sistema completo.

Il POF PMMA convenzionale utilizza comunemente circa 650 nm perché questa regione fornisce una utile finestra di fibra a bassa perdita che può essere abbinata a trasmettitori LED rossi pratici e ricevitori compatibili.La lunghezza d'onda è quindi il risultato di una completa ottimizzazione del collegamento piuttosto che una proprietà di fibra sola.

Non necessariamente. Il PMMA ha più di una regione relativamente a bassa perdita nello spettro visibile.L'importanza di 650 nm deriva dalla combinazione di attenuazione accettabile delle fibre e di componenti optoelettronici rossi maturi, non essendo l'unico o il punto di attenuazione più basso universalmente.

Sì, la luce a 850 nm può propagarsi fisicamente attraverso il PMMA POF.il PMMA convenzionale ha generalmente un'attenuazione molto meno favorevole in quella regione rispetto alle sue utili finestre di trasmissione visibiliLa perdita ottica risultante può quindi ridurre significativamente la distanza di trasmissione utilizzabile.

La fibra di silice multimodo ha caratteristiche materiali diverse da PMMA ed è stata ottimizzata per trasmissione ad alta velocità intorno ai 850 nm.I moderni sistemi OM3 e OM4 combinano trasmettitori VCSEL da 850 nm con fibre multimode di silice ottimizzate per laser, formando un ecosistema ottico diverso dal PMMA POF.

I sistemi Broadcom/Avago HFBR POF combinano trasmettitori rossi, ricevitori compatibili, POF da 1 mm, connettori e budget di potenza ottica definiti in un collegamento ottico integrato a corta distanza.L'uso di una lunghezza di circa 650 nm riflette quindi l'architettura più ampia del sistema PMMA POF piuttosto che una scelta di trasmettitore isolato..

Sì. L'attenuazione della fibra cambia con la lunghezza d'onda. Se si passa a un'altra lunghezza d'onda aumenta l'attenuazione, la fibra consuma più potenza ottica per metro.,se un'altra parte del sistema compensa tale perdita aggiuntiva, la distanza di trasmissione massima affidabile diminuisce.