الألياف البصرية البلاستيكية (POF): التعريف والأنواع والبناء والتطبيقات

الألياف الضوئية البلاستيكية (POF) عبارة عن ألياف بصرية متعددة الأوضاع مصنوعة بالكامل من مواد البوليمر ، بقطر أساسي كبير - عادةً 1 مم - يتيح اقتران الضوء بسهولة من مصادر LED وإنهاء بسيط ومنخفض التكلفة. على عكس الألياف الضوئية الزجاجية (GOF) ، والتي تُستخدم للاتصالات طويلة المدى ، تم تصميم POF لنقل البيانات لمسافات قصيرة ، والشبكات داخل السيارة ، والأتمتة الصناعية ، وتطبيقات الإضاءة حيث يتم إعطاء الأولوية لسهولة التركيب وكفاءة التكلفة على التوهين المنخفض للغاية وعرض النطاق الترددي العالي. تغطي هذه المقالة التعريف والأنواع والبناء وعملية التصنيع وخصائص الأداء والتطبيقات والمعايير المعمول بها للألياف الضوئية البلاستيكية.

ما هي الألياف البصرية البلاستيكية ؟

الألياف البصرية البلاستيكية (POF) هي ألياف بصرية يتم فيها تصنيع كل من اللب والكسوة من مواد بلاستيكية. يتكون اللب عادة من بولي ميثيل ميثاكريلات (PMMA) ، في حين أن الكسوة مصنوعة من البوليمر المفلور. يكون معامل الانكسار للنواة أعلى من معامل الكسوة ، بحيث تنعكس أشعة الضوء المنقولة إلى الألياف مرة أخرى عند الحدود بين اللب والكسوة.

تمييز هام
: يختلف POF عن الألياف الضوئية الزجاجية (GOF) في كل من المواد والأداء. يستخدم GOF زجاج السيليكا النقي للغاية ويحقق توهينًا منخفضًا يصل إلى 0.2 ديسيبل / كم عند 1550 نانومتر ، في حين أن POF لديه توهين نموذجي 0.15-0 .2 ديسيبل / م عند 650 نانومتر - أعلى بحوالي 1000 مرة. وبالتالي ، فإن POF ليس بديلاً عن الألياف الزجاجية في تطبيقات العمود الفقري لمسافات طويلة أو ذات النطاق الترددي العالي ، ولكنه بالأحرى تقنية تكميلية لـ "آخر مائة متر".

أنواع الألياف البصرية البلاستيكية

يتم تصنيف POF إلى نوعين أساسيين بناءً على ملف تعريف معامل الانكسار:

Step-Index POF (SI-POF)

يحتوي POF ذو مؤشر الخطوة على معامل انكسار موحد في جميع أنحاء القلب ، مع تغيير مفاجئ في حدود الكسوة الأساسية. هذا هو النوع الأكثر شيوعًا والأقل تكلفة من POF. ومع ذلك ، يعاني SI-POF من تشتت متعدد الوسائط كبير ، مما يحد من منتج مسافة عرض النطاق الترددي إلى أقل من 10 جيجاهرتز · كم. يبلغ قطر قلب SI-POF النموذجي حوالي 1 مم وفتحة عددية (NA) 0.5.

Graded-Index POF (GI-POF)

يحتوي POF ذو المؤشر المتدرج على معامل انكسار يتناقص تدريجياً من مركز القلب إلى تقاطع الكسوة الأساسية. يعوض ملف التعريف هذا التأخير متعدد الوسائط عن طريق السماح لأشعة الضوء التي تستغرق مسارات أطول بالسفر بشكل أسرع. يوفر GI-POF عرض نطاق ترددي أعلى بكثير من SI-POF ، مع التصميمات الحالية التي تقدم عرض نطاق ترددي يصل إلى 2 جيجاهرتز على مسافات 100 متر. GI-POF المشبع بالفلور (PF-GI-POF) هو متغير عالي الأداء بأقطار أساسية تتراوح من 50 ميكرومتر إلى 120 ميكرومتر.

كيف يتم تصنيع الألياف البصرية البلاستيكية ؟

يتم تصنيع POF باستخدام طرق تختلف اختلافًا كبيرًا عن إنتاج الألياف الضوئية الزجاجية. هناك طريقتان أساسيتان للتصنيع:

طريقة رسم التشكيل

في هذه الطريقة ، يتم تصنيع تشكيل البوليمر مع ملف تعريف معامل الانكسار المطلوب أولاً - على سبيل المثال ، عن طريق الترسيب بالطرد المركزي ، حيث يتم تغذية خليط من ميثاكريلات الميثيل وميثاكريلات البنزيل في أنبوب سريع الدوران ويتم بلمرته عن طريق التفاعل الحراري. ثم يتم تسخين التشكيل وسحبه إلى الألياف. كانت هذه الطريقة ، بما في ذلك البلمرة المغلقة ورسم الألياف ، فعالة في إنتاج POF منخفض الخسارة مع توهين منخفض يصل إلى 55 ديسيبل / كم عند الطول الموجي 568 نانومتر.

طريقة البثق

البثق هو عملية مستمرة قادرة على إنتاج POF بسرعات مفيدة تجاريًا - على سبيل المثال ، 1 م / ث على الأقل لألياف قطرها الخارجي 250 ميكرومتر. في عملية البثق المشترك بمساعدة الانتشار ، يتم تغذية مادتين أو أكثر من المواد البوليمرية التي تحتوي على إضافات لتعديل معامل الانكسار بشكل منفصل في قالب البثق المشترك ، حيث يتم تشكيل هيكل متعدد الطبقات متحد المركز. تنتشر المنشطات أثناء عملية التصنيع ، ويمكن التحكم في ملف تعريف معامل الانكسار عن طريق ضبط درجة حرارة منطقة الانتشار وسرعة دوران المسمار. تم استخدام هذه الطريقة لتصنيع GI-POF بنطاق ترددي أعلى من 600 ميجابت / ثانية على مسافة 100 متر.

علاج ما بعد البثق

يمكن أن تؤدي خطوة ما بعد البثق إلى زيادة الوزن الجزيئي لمصفوفة البوليمر إلى نطاق يتراوح بين 30000 و 300000 على الأقل ، مما يمنح الاستقرار الميكانيكي والحراري الجيد للألياف.

خصائص الأداء الأساسية

التوهين

توهين POF wavelength-dependent وأعلى بكثير من توهين الألياف الزجاجية. يحتوي SI-POF النموذجي على توهين يقارب 0.15-0 .2 ديسيبل / م عند 650 نانومتر. يحتوي PMMA-core POF على حد أدنى للتوهين في المنطقة المرئية بين 520 نانومتر و 670 نانومتر. يحقق GI-POF المشبع بالفلور توهينًا أقل بحوالي 60 ديسيبل / كم في النطاق O 1290-1320 نانومتر ، على الرغم من زيادة التوهين إلى حوالي 200 ديسيبل / كم في النطاقات S و C و L. تم العثور على حد أدنى نظري للتوهين في POF المشبع بالفلور عند 850 نانومتر ليكون 10 ديسيبل / كم.

فتحة عددية

يحتوي POF على فتحة عددية كبيرة (NA) عادة في حدود 0.3 إلى 0.5. هذا NA الكبير ، جنبًا إلى جنب مع القطر الأساسي الكبير ، يجعل POF متسامحًا للغاية مع المحاذاة غير المستقرة ويتيح سهولة اقتران الضوء من مصادر LED غير المكلفة. زاوية القبول هي عادة 60.

عرض النطاق الترددي

عرض النطاق الترددي SI-POF محدود بسبب التشتت متعدد الوسائط. يوفر GI-POF نطاقًا تردديًا أعلى بكثير ، مع التصميمات الحالية التي تقدم ما يصل إلى 2 جيجاهرتز عند 100 متر. أظهرت الأبحاث انتقالًا متعدد الجيجابت عبر POF للاتصالات قصيرة المدى.

الحد الأدنى بيند الشعاع

يوفر POF مرونة ممتازة. يبلغ نصف قطر الانحناء الأدنى النموذجي لكابل POF البسيط 15 مم ، و 25 مم للتكوينات المزدوجة. تتيح هذه المرونة النشر في المساحات الضيقة والبيئات القاسية.

تطبيقات مناسبة وغير مناسبة

تطبيقات مناسبة

• شبكات السيارات داخل السيارة
  : يستخدم POF لأنظمة المعلومات والترفيه والإضاءة وشبكات الوسائط المتعددة ونقل بيانات المستشعر ، مما يوفر مناعة EMI ونقل البيانات بسرعة عالية. تم اعتماد معايير مثل MOST و Flexray على نطاق واسع لتطبيقات POF للسيارات.
  

• الأتمتة الصناعية
  يستخدم POF في الروبوتات وأنظمة التحكم الصناعية وأتمتة المصانع حيث تكون المسافات قصيرة ويشكل التداخل الكهرومغناطيسي مصدر قلق.
  

• الشبكات المنزلية
  : يوفر POF حلاً منخفض التكلفة وسهل التثبيت لشبكات البيانات المنزلية.
  

• الالكترونيات الاستهلاكية
  : تستخدم منافذ الصوت الضوئية الرقمية في أجهزة التلفزيون وأجهزة الصوت الاستهلاكية POF بشكل شائع.
  

• الإضاءة والإضاءة
  : يستخدم POF على نطاق واسع للإضاءة الزخرفية ، وإضاءة المتحف للأشياء الحساسة للضوء ، وإضاءة حمام السباحة ، وتأثيرات السقف starfield.
  

• أجهزة الاستشعار الطبية
  : يتيح التوافق الحيوي لـ POF مراقبة العلامات الفسيولوجية مثل معدل التنفس ومعدل ضربات القلب وضغط القدم وحركة المفاصل.
  

الحالات التي تتطلب نوع آخر من الألياف

• الاتصالات السلكية واللاسلكية لمسافات طويلة
  التوهين العالي لـ POF (0.2 ديسيبل / م مقابل 0.2 ديسيبل / كم للألياف الزجاجية) يجعله غير مناسب للمسافات التي تتجاوز بضع مئات من الأمتار.
  

• شبكات العمود الفقري ذات النطاق الترددي العالي
  : توفر الألياف الزجاجية نطاقًا تردديًا يصل إلى 100 جيجاهرتز · كم ، وهو ما يتجاوز بكثير قدرات POF.
  

• البيئات ذات درجة الحرارة العالية
  : بوف لديه تحمل درجة حرارة أقل من الألياف الزجاجية. نطاق التشغيل النموذجي هو -20C إلى + 70C ، مع قدرة قصيرة الأجل تصل إلى + 85C.
  

• تحت سطح البحر أو في الهواء الطلق التثبيت لمسافات طويلة
  : POF غير مصمم للنشر لمسافات طويلة في الهواء الطلق وليس بديلاً عن كابلات الألياف الزجاجية المصنفة في الهواء الطلق.
  

المعايير المطبقة والاختبار

المعايير الدولية

يتم تغطية POF بالمعايير الدولية التالية:

• IEC 60793-2
  : تنطبق على فئة A4 الألياف الضوئية متعددة الأوضاع مع البلاستيك الأساسية والكسوة البلاستيكية ، بما في ذلك مؤشر خطوة ، مؤشر متعدد الخطوات ، وملامح مؤشر متدرج. تشمل الفئات الفرعية A4a و A4b و A4c و A4d و A4e و A4f و A4g و A4h.
  

• IEC 60794-2-40
  : مواصفات الأسرة تغطي ألياف A4 المخزنة وألياف A4 الكابلية للاستخدام الداخلي.
  

• ETSI TS 105 175-1
  : يحدد متطلبات نظام الكابلات POF لقابلية التشغيل البيني 100 ميجابت / ثانية و 1 جيجابت / ثانية.
  

• EN 50173-1 و EN 50173-4
  : تحديد خسائر القنوات وربط متطلبات ميزانية POF في التطبيقات الداخلية.
  

معلمات اختبار المفتاح

POF مقابل الألياف الضوئية الزجاجية: الاختلافات الرئيسية

أسئلة متكررة

هل POF مناسب للتركيب الخارجي ؟

لا. تم تصميم POF بشكل أساسي للتطبيقات الداخلية. مطلوب كابلات الألياف الزجاجية في الهواء الطلق مع حواجز الرطوبة المناسبة ، والتدريع ، وحماية الأشعة فوق البنفسجية للنشر في الهواء الطلق. لا ينبغي استخدام POF لتطبيقات المسافات الطويلة أو الدفن المباشر في الهواء الطلق.

يمكن POF استبدال الألياف الزجاجية في جميع التطبيقات ؟

لا. POF والألياف الزجاجية تخدم قطاعات السوق المختلفة. تم تحسين POF للتطبيقات قصيرة المدى ومنخفضة التكلفة وسهلة التثبيت ، في حين أن الألياف الزجاجية ضرورية للاتصالات السلكية واللاسلكية ذات النطاق الترددي العالي لمسافات طويلة.

ما هو نطاق درجة حرارة التشغيل النموذجية لـ POF ؟

تعمل POF القياسية من -20 درجة مئوية إلى + 70 درجة مئوية ، مع قدرة قصيرة الأجل تصل إلى + 85 درجة مئوية. قد توفر متغيرات POF المشبعة بالفلور والمتخصصة نطاقات درجات حرارة ممتدة.

هل يتطلب POF التأريض ؟

لا. POF هو وسط عازل بالكامل ولا يوصل الكهرباء ، لذلك لا يتطلب التأريض. هذا يجعل POF مناسبًا بشكل خاص للبيئات والتطبيقات الحساسة كهربائيًا حيث تكون مناعة EMI مطلوبة.

ما هو الفرق بين الألياف POF و HCS (السيليكا الصلبة) ؟

يحتوي POF على كل من النواة والكسوة المصنوعة من البلاستيك ، في حين أن ألياف HCS لها قلب زجاجي مع كسوة بلاستيكية صلبة. يوفر POF أقطارًا أساسية أكبر وتكلفة أقل ، بينما يوفر HCS توهينًا أقل من POF ولكن بتكلفة أعلى.

الاستنتاج

الألياف الضوئية البلاستيكية هي عضو متخصص في عائلة الألياف الضوئية ، وتتميز ببنائها البوليمر ، وقطرها الأساسي الكبير ، وفتحة العدسة العددية العالية ، وسهولة الإنهاء ، والتكلفة المنخفضة. في حين أن POF لا يمكن أن يتطابق مع أداء التوهين وعرض النطاق الترددي للألياف الضوئية الزجاجية ، إلا أنه يوفر حلاً فعالاً من حيث التكلفة ومرنًا ومناعًا EMI للتطبيقات قصيرة المسافات بما في ذلك شبكات السيارات والأتمتة الصناعية والشبكات المنزلية والإلكترونيات الاستهلاكية والإضاءة والاستشعار الطبي. يستمر تطوير مؤشر POF المتدرج و POF المشبع بالفلور في توسيع نطاق أداء هذه التقنية. تخضع POF للمعايير الدولية بما في ذلك IEC 60793-2 و IEC 60794-2-40 ، والتي تحدد متطلبات الأبعاد والميكانيكية والنقل والمتطلبات البيئية لألياف فئة A4.

المراجع

1. جمعية الألياف البصرية (FOA). 
   الألياف البصرية البلاستيكية (POF)
   . متاح في: 
   https://www.thefoa.org/tech/pof.htm
   

2. شركة Linden Photonics Inc. 
   الألياف الزجاجية البصرية مقابل الألياف البصرية البلاستيكية: مقارنة شاملة
   . 2024

3. IEC 60793-2. 
   الألياف الضوئية - الجزء 2: مواصفات المنتج - المواصفات القطاعية للألياف متعددة الأنماط من الفئة A4
   

4. IEC 60794-2-40. 
   كابلات الألياف الضوئية - الجزء 2-40: كابلات الألياف الضوئية الداخلية - مواصفات عائلة كابلات الألياف A4
   

5. COMOSS Electronic Co., LTD. 
   OptoLup ™ ورقة بيانات كابل POF
   

6. ETSI TS 105 175-1. 
   مواصفات نظام الألياف الضوئية البلاستيكية لـ 100 ميجابت / ثانية و 1 جيجابت / ثانية
   

7. IEEE Xplore. 
   انتقال GI-POF بمعدلات بت مختلفة ، أطوال الألياف والأطوال الموجية: 1310 و 1550 نيوتن متر
   . 2024

8. Kaino T ، Jingugi K ، Nara S. 
   الألياف البصرية البلاستيكية منخفضة الخسارة
   . مؤتمر اتصالات الألياف الضوئية ، 1983