Fibra Óptica Plástica (POF): Definición, Tipos, Construcción y Aplicaciones

La fibra óptica plástica (POF) es una fibra óptica multimodo hecha completamente de materiales poliméricos, con un gran diámetro de núcleo -típicamente 1 mm- que permite un fácil acoplamiento de luz de fuentes de LED y una terminación simple y de bajo costo. A diferencia de la fibra óptica de vidrio (GOF), que se utiliza para telecomunicaciones de larga distancia, POF está diseñado para transmisión de datos de corta distancia, redes en vehículos, automatización industrial y aplicaciones de iluminación donde se prioriza la facilidad de instalación y la eficiencia de costos sobre la atenuación ultra baja y el ancho de banda alto. Este artículo cubre la definición, tipos, construcción, proceso de fabricación, características de rendimiento, aplicaciones y estándares aplicables de fibra óptica plástica.

¿Qué Es La Fibra Óptica De Plástico?

La fibra óptica plástica (POF) es una fibra óptica en la que tanto el núcleo como el revestimiento están hechos de materiales plásticos. El núcleo está compuesto típicamente de polimetacrilato de metilo (PMMA), mientras que el revestimiento está hecho de polímero fluorado. El índice de refracción del núcleo es mayor que el del revestimiento, de modo que los rayos de luz transmitidos a la fibra se reflejan en el límite entre el núcleo y el revestimiento.

Distinción importante
: POF se diferencia de la fibra óptica de vidrio (GOF) tanto en material como en rendimiento. GOF utiliza vidrio de sílice extremadamente puro y logra una atenuación tan baja como 0,2 dB / km a 1550 nm, mientras que POF tiene una atenuación típica de 0.15-0.2 dB / m a 650 nm, aproximadamente 1.000 veces mayor. Por lo tanto, POF no es un sustituto de la fibra de vidrio en aplicaciones troncales de larga distancia o de gran ancho de banda, sino una tecnología complementaria para los "últimos cien metros".

Tipos De Fibra Óptica De Plástico

POF se clasifica en dos tipos primarios según el perfil del índice de refracción:

Step-Index POF (SI-POF)

El índice de pasos POF tiene un índice de refracción uniforme en todo el núcleo, con un cambio abrupto en el límite del revestimiento del núcleo. Este es el tipo de POF más común y de menor costo. Sin embargo, SI-POF sufre de una gran dispersión intermodal, lo que limita su producto de distancia de ancho de banda a menos de 10 GHz · km. El típico SI-POF tiene un diámetro de núcleo de aproximadamente 1 mm y una apertura numérica (NA) de 0,5.

Graded-Index POF (GI-POF)

POF de índice graduado tiene un índice de refracción que disminuye gradualmente desde el centro del núcleo hasta la unión del revestimiento del núcleo. Este perfil compensa el retardo intermodal al permitir que los rayos de luz que toman caminos más largos viajen más rápido. GI-POF ofrece un ancho de banda significativamente mayor que SI-POF, con diseños actuales que ofrecen un ancho de banda de hasta 2 GHz a distancias de 100 metros. GI-POF perfluorado (PF-GI-POF) es una variante de mayor rendimiento con diámetros de núcleo que van de 50 micras a 120 micras.

¿Cómo se fabrica la fibra óptica plástica?

POF se fabrica utilizando métodos que difieren significativamente de la producción de fibra óptica de vidrio. Hay dos enfoques de fabricación primarios:

Método De Dibujo De Preformas

En este método, primero se fabrica una preforma de polímero con el perfil de índice de refracción deseado, por ejemplo, por deposición centrífuga, en la que una mezcla de metacrilato de metilo y metacrilato de bencilo se alimenta en un tubo que gira rápidamente y se polimeriza por reacción térmica. Luego, la preforma se calienta y se estira en fibra. Este método, incluida la polimerización cerrada y el dibujo de fibra, ha sido efectivo para producir una atenuación de POF de baja pérdida con tan baja como 55 dB / km a una longitud de onda de 568 nm.

Método de extrusión

La extrusión es un proceso continuo capaz de producir POF a velocidades comercialmente útiles, por ejemplo, al menos 1 m / s para fibra de diámetro exterior de 250 micras. En el proceso de coextrusión asistida por difusión, dos o más materiales poliméricos que contienen aditivos para la modificación del índice de refracción se alimentan por separado en un troquel de coextrusión, donde se forma una estructura concéntrica multicapa. Los dopantes se difunden durante el proceso de fabricación y el perfil del índice de refracción se puede controlar ajustando la temperatura de la zona de difusión y la velocidad de rotación del tornillo. Este método se ha utilizado para fabricar un ancho de banda GI-POF con superior a 600 Mbit / s a 100 m de distancia.

Tratamiento Post-Extrusión

Un paso posterior a la extrusión puede aumentar el peso molecular de la matriz polimérica a un rango de aproximadamente 30.000 a al menos 300.000, confiriendo una buena estabilidad mecánica y térmica a la fibra.

Características básicas de rendimiento

Atenuación

La atenuación de POF es wavelength-dependent y significativamente mayor que la de la fibra de vidrio. El SI-POF típico tiene una atenuación de aproximadamente 0.15-0.2 dB / m a 650 nm. El POF de núcleo de PMMA tiene mínimos de atenuación en la región visible entre 520 nm y 670 nm. El GI-POF perfluorado logra una atenuación menor de aproximadamente 60 dB / km en la banda O de 1290-1320 nm, aunque la atenuación aumenta a aproximadamente 200 dB / km en las bandas S, C y L. Se ha encontrado que un límite inferior teórico de atenuación en el POF perfluorado a 850 nm es de 10 dB / km.

Apertura numérica

POF tiene una gran apertura numérica (NA) típicamente en el rango de 0,3 a 0,5. Este gran NA, combinado con el gran diámetro del núcleo, hace que POF sea muy tolerante a la desalineación y permite un fácil acoplamiento de la luz de fuentes LED baratas. El ángulo de aceptación es típicamente de 60.

Ancho de banda

El ancho de banda SI-POF está limitado por la dispersión intermodal. GI-POF ofrece un ancho de banda sustancialmente mayor, con diseños actuales que ofrecen hasta 2 GHz a 100 m. La investigación ha demostrado la transmisión multigigabit sobre POF para comunicaciones de corto alcance.

Radio Mínimo De Curva

POF ofrece una excelente flexibilidad. El radio de curvatura mínimo típico para el cable POF simplex es de 15 mm y 25 mm para configuraciones dúplex. Esta flexibilidad permite el despliegue en espacios reducidos y entornos hostiles.

Aplicaciones Adecuadas e Inadecuadas

Aplicaciones Adecuadas

• Redes automotrices en vehículos
  : POF se utiliza para sistemas de información y entretenimiento, iluminación, redes multimedia y transmisión de datos de sensores, ofreciendo inmunidad EMI y transmisión de datos de alta velocidad. Estándares como MOST y Flexray se han adoptado ampliamente para aplicaciones POF de automoción.
  

• Automatización industrial
  POF se utiliza en robótica, sistemas de control industrial y automatización de fábrica donde las distancias son cortas y la interferencia electromagnética es una preocupación.
  

• Red doméstica
  : POF proporciona una solución de bajo costo y fácil instalación para redes de datos en el hogar.
  

• Electrónica de consumo
  : Los puertos de audio óptico digital en televisores y equipos de audio de consumo comúnmente usan POF.
  

• Iluminación e iluminación
  : POF es ampliamente utilizado para iluminación decorativa, iluminación de museos de objetos sensibles a la luz, iluminación de piscinas y efectos de techo de campo estelar.
  

• Sensores médicos
  : La biocompatibilidad de POF permite controlar signos fisiológicos como la frecuencia respiratoria, la frecuencia cardíaca, la presión del pie y el movimiento de las articulaciones.
  

Casos Que Requieren Otro Tipo De Fibra

• Comunicaciones de larga distancia
  : La alta atenuación de POF (0,2 dB / m vs. 0,2 dB / km para fibra de vidrio) lo hace inadecuado para distancias superiores a unos cientos de metros.
  

• Redes troncales de gran ancho de banda
  : La fibra de vidrio ofrece un ancho de banda de hasta 100 GHz · km, superando con creces las capacidades de POF.
  

• Entornos de alta temperatura
  : POF tiene una tolerancia a la temperatura más baja que la fibra de vidrio; el rango de operación típico es de -20C a + 70C, con capacidad a corto plazo de hasta + 85C.
  

• Instalación submarina o de larga distancia al aire libre
  : POF no está diseñado para el despliegue a larga distancia en exteriores y no sustituye a los cables de fibra de vidrio con clasificación para exteriores.
  

Estándares y Pruebas Aplicables

Estándares internacionales

POF está cubierto por las siguientes normas internacionales:

• IEC 60793-2
  : Aplicable a las fibras ópticas multimodo de la categoría A4 con núcleo de plástico y revestimiento de plástico, incluidos los perfiles de índice de pasos, índice de pasos múltiples y índice graduado. Las subcategorías incluyen A4a, A4b, A4c, A4d, A4e, A4f, A4g y A4h.
  

• IEC 60794-2-40
  : Especificación familiar que cubre fibras A4 amortiguadas y fibras A4 cableadas para uso en interiores.
  

• ETSI TS 105 175-1
  : Especifica los requisitos del sistema de cableado POF para la interoperabilidad de 100 Mbit / s y 1 Gbit / s.
  

• EN 50173-1 y EN 50173-4
  : Definir pérdidas de canal y requisitos de presupuesto de enlace para POF en aplicaciones de interior.
  

Parámetros de prueba clave

POF vs. Fibra Óptica de Vidrio: Diferencias Clave

Preguntas Frecuentes

¿Es POF adecuado para la instalación en exteriores?

No. POF está diseñado principalmente para aplicaciones en interiores. Se requieren cables de fibra de vidrio con clasificación para exteriores con barreras de humedad adecuadas, blindaje y protección UV para el despliegue en exteriores. POF no debe usarse para aplicaciones de entierro directo o de larga distancia al aire libre.

¿Puede POF reemplazar la fibra de vidrio en todas las aplicaciones?

No. POF y fibra de vidrio sirven a diferentes segmentos del mercado. POF está optimizado para aplicaciones de corta distancia, bajo costo y fáciles de instalar, mientras que la fibra de vidrio es necesaria para telecomunicaciones de larga distancia y alto ancho de banda.

¿Cuál es el rango de temperatura de funcionamiento típico de POF?

POF estándar funciona de -20C a + 70C, con capacidad a corto plazo hasta + 85C. Las variantes de POF perfluorado y especial pueden ofrecer rangos de temperatura extendidos.

¿POF requiere conexión a tierra?

No. POF es un medio totalmente dieléctrico y no conduce electricidad, por lo que no requiere conexión a tierra. Esto hace que POF sea particularmente adecuado para entornos y aplicaciones sensibles a la electricidad donde se requiere inmunidad EMI.

¿Cuál es la diferencia entre la fibra POF y HCS (Hard-Clad Silica)?

POF tiene núcleo y revestimiento de plástico, mientras que la fibra HCS tiene un núcleo de vidrio con un revestimiento de plástico duro. POF ofrece mayores diámetros de núcleo y menor costo, mientras que HCS proporciona menor atenuación que POF pero mayor costo.

Conclusión

La fibra óptica plástica es un miembro especializado de la familia de la fibra óptica, que se distingue por su construcción de polímeros, su gran diámetro de núcleo, su alta apertura numérica, su facilidad de terminación y su bajo costo. Si bien el POF no puede igualar el rendimiento de atenuación y ancho de banda de la fibra óptica de vidrio, proporciona una solución rentable, flexible e inmune a EMI para aplicaciones de corta distancia que incluyen redes automotrices, automatización industrial, redes domésticas, electrónica de consumo, iluminación y detección médica. El desarrollo del POF de índice graduado y el POF perfluorado continúa ampliando la envolvente de rendimiento de esta tecnología. El POF se rige por estándares internacionales que incluyen IEC 60793-2 e IEC 60794-2-40, que definen los requisitos dimensionales, mecánicos, de transmisión y ambientales para las fibras de categoría A4.

Referencias

1. La Asociación de Fibra Óptica (FOA). 
   Fibra Óptica Plástica (POF)
   . Disponible en: 
   https://www.thefoa.org/tech/pof.htm
   

2. Linden Photonics Inc. 
   Fibra Óptica De Vidrio vs Fibra Óptica De Plástico: Una Comparación Completa
   . 2024

3. IEC 60793-2. 
   Fibras ópticas - Parte 2: Especificaciones del producto - Especificación seccional para fibras multimodo de la categoría A4
   

4. IEC 60794-2-40. 
   cables de fibra óptica - Parte 2-40: Cables de fibra óptica para interiores - Especificación familiar para cables de fibra A4
   

5. COMOSS Electrónica Co., LTD. 
   Hoja de datos del cable OptoLup™ POF
   

6. ETSI TS 105 175-1. 
   Especificaciones del sistema de fibra óptica de plástico para 100 Mbit / s y 1 Gbit / s
   

7. IEEE Xplore. 
   Transmisión GI-POF A Diferentes Velocidades De Bits, Longitudes De Fibra Y Longitudes De Onda: 1310 Y 1550 Nm
   . 2024

8. Kaino T, Jingugi K, Nara S. 
   Fibras ópticas de plástico de baja pérdida
   . Conferencia de Comunicación de Fibra Óptica, 1983