Fibre optique plastique (POF) : définition, types, construction et applications

La fibre optique en plastique (POF) est une fibre optique multimode entièrement faite de matériaux polymères, avec un diamètre de noyau important - généralement 1 mm - qui permet un couplage facile de la lumière à partir de sources LED et une terminaison simple et peu coûteuse. Contrairement à la fibre optique en verre (GOF), qui est utilisée pour les télécommunications longue distance, la POF est conçue pour la transmission de données à courte distance, les réseaux embarqués, l'automatisation industrielle et les applications d'éclairage où la facilité d'installation et la rentabilité ont la priorité sur une atténuation ultra-faible et une bande passante élevée. Cet article couvre la définition, les types, la construction, le processus de fabrication, les caractéristiques de performance, les applications et les normes applicables de la fibre optique en plastique.

Qu'est-ce que la fibre optique plastique?

La fibre optique plastique (POF) est une fibre optique dans laquelle le cœur et le revêtement sont faits de matériaux plastiques. Le cœur est généralement composé de polyméthacrylate de méthyle (PMMA), tandis que le revêtement est en polymère fluoré. L'indice de réfraction du cœur est supérieur à celui du revêtement, de sorte que les rayons lumineux transmis dans la fibre sont réfléchis à la frontière entre le cœur et le revêtement.

Distinction importante
: Le POF se distingue de la fibre optique de verre (GOF) en termes de matériau et de performances. Le GOF utilise du verre de silice extrêmement pur et atteint une atténuation aussi faible que 0,2 dB / km à 1550 nm, alors que le POF a une atténuation typique de 0.15-00,2 dB / m à 650 nm, soit environ 1 000 fois plus. Le POF ne remplace donc pas la fibre de verre dans les applications dorsales longue distance ou à large bande passante, mais plutôt une technologie complémentaire pour les "cent derniers mètres".

Types de fibres optiques en plastique

Le POF est classé en deux types principaux en fonction du profil d'indice de réfraction :

Step-Index POF (SI-POF)

Le POF à indice de pas a un indice de réfraction uniforme dans tout le cœur, avec un changement brusque à la limite noyau-revêtement. Il s'agit du type de POF le plus courant et le moins coûteux. Cependant, le SI-POF souffre d'une grande dispersion intermodale, ce qui limite son produit bande passante-distance à moins de 10 GHz · km. Le SI-POF typique a un diamètre du cœur d'environ 1 mm et une ouverture numérique (NA) de 0,5.

Graded-Index POF (GI-POF)

Le POF à indice gradué a un indice de réfraction qui diminue progressivement du centre du cœur à la jonction cœur-gaine. Ce profil compense le retard intermodal en permettant aux rayons lumineux qui empruntent des chemins plus longs de voyager plus rapidement. Le GI-POF offre une bande passante nettement plus élevée que le SI-POF, les conceptions actuelles offrant une bande passante allant jusqu'à 2 GHz à des distances de 100 mètres. Le GI-POF perfluoré (PF-GI-POF) est une variante plus performante avec des diamètres de cœur allant de 50 μm à 120 μm.

Comment la fibre optique en plastique est-elle fabriquée?

Le POF est fabriqué en utilisant des méthodes qui diffèrent considérablement de la production de fibres optiques de verre. Il existe deux approches de fabrication principales :

Méthode de dessin de préforme

Dans ce procédé, une préforme polymère avec le profil d'indice de réfraction souhaité est d'abord fabriquée - par exemple, par dépôt centrifuge, dans lequel un mélange de méthacrylate de méthyle et de méthacrylate de benzyle est introduit dans un tube à rotation rapide et polymérisé par réaction thermique. La préforme est ensuite chauffée et étirée en fibre. Cette méthode, comprenant la polymérisation fermée et l'étirage des fibres, s'est avérée efficace pour produire un POF à faible perte avec une atténuation aussi faible que 55 dB / km à une longueur d'onde de 568 nm.

Méthode d'extrusion

L'extrusion est un processus continu capable de produire du POF à des vitesses commercialement utiles - par exemple, au moins 1 m / s pour une fibre de 250 μm de diamètre extérieur. Dans le processus de coextrusion assistée par diffusion, deux ou plusieurs matériaux polymères contenant des additifs pour la modification de l'indice de réfraction sont introduits séparément dans une matrice de coextrusion, où une structure multicouche concentrique est formée. Les dopants diffusent pendant le processus de fabrication, et le profil d'indice de réfraction peut être contrôlé en ajustant la température de la zone de diffusion et la vitesse de rotation de la vis. Cette méthode a été utilisée pour fabriquer du GI-POF avec une bande passante supérieure à 600 Mbit / s à 100 m.

Traitement post-extrusion

Une étape post-extrusion peut augmenter le poids moléculaire de la matrice polymère à une plage d'environ 30 000 à au moins 300 000, conférant une bonne stabilité mécanique et thermique à la fibre.

Caractéristiques de performance de base

Atténuation

L'atténuation du POF est wavelength-dependent et significativement plus élevée que celle de la fibre de verre. Le SI-POF typique a une atténuation d'environ 0.15-0 dB / m à 650 nm. Le POF à cœur PMMA a des minima d'atténuation dans la région visible entre 520 nm et 670 nm. Le GI-POF perfluoré atteint une atténuation inférieure d'environ 60 dB / km dans la bande O 1290-1320 nm, bien que l'atténuation augmente à environ 200 dB / km dans les bandes S, C et L. Une limite inférieure théorique d'atténuation du POF perfluoré à 850 nm s'est avérée être de 10 dB / km.

Ouverture numérique

POF a une grande ouverture numérique (NA) généralement comprise entre 0,3 et 0,5. Cette grande NA, combinée au grand diamètre du noyau, rend POF très tolérant au désalignement et permet un couplage facile de la lumière provenant de sources LED bon marché. L'angle d'acceptation est généralement de 60.

Bande passante

La bande passante SI-POF est limitée par la dispersion intermodale. GI-POF offre une bande passante nettement plus élevée, les conceptions actuelles offrant jusqu'à 2 GHz à 100 m. La recherche a démontré une transmission multi-gigabits sur POF pour les communications à courte portée.

Rayon de courbure minimal

POF offre une excellente flexibilité. Le rayon de courbure minimum typique pour les câbles POF simplex est de 15 mm et de 25 mm pour les configurations duplex. Cette flexibilité permet un déploiement dans des espaces restreints et des environnements difficiles.

Applications appropriées et inappropriées

Applications appropriées

• Réseaux automobiles embarqués
  : POF est utilisé pour les systèmes d'infodivertissement, l'éclairage, les réseaux multimédias et la transmission de données de capteurs, offrant une immunité EMI et une transmission de données à grande vitesse. Des normes telles que MOST et Flexray ont été largement adoptées pour les applications POF automobiles.
  

• Automatisation industrielle
  POF est utilisé dans la robotique, les systèmes de contrôle industriels et l'automatisation d'usine où les distances sont courtes et les interférences électromagnétiques sont préoccupantes.
  

• Réseautage à domicile
  POF fournit une solution peu coûteuse et facile à installer pour les réseaux de données à domicile.
  

• Électronique grand public
  : Les ports audio optiques numériques des téléviseurs et des équipements audio grand public utilisent couramment le POF.
  

• Éclairage et illumination
  POF est largement utilisé pour l'éclairage décoratif, l'éclairage de musée d'objets sensibles à la lumière, l'éclairage de piscine et les effets de plafond Starfield.
  

• Capteurs médicaux
  La biocompatibilité de POF permet de surveiller les signes physiologiques tels que la fréquence respiratoire, la fréquence cardiaque, la pression du pied et les mouvements articulaires.
  

Cas nécessitant un autre type de fibre

• Télécommunications long-courriers
  La forte atténuation du POF (0,2 dB / m contre 0,2 dB / km pour la fibre de verre) le rend inadapté aux distances au-delà de quelques centaines de mètres.
  

• Réseaux dorsaux à large bande passante
  : La fibre de verre offre une bande passante allant jusqu'à 100 GHz · km, dépassant de loin les capacités POF.
  

• Environnements à haute température
  POF a une tolérance à la température inférieure à celle de la fibre de verre ; la plage de fonctionnement typique est de -20C à + 70C, avec une capacité à court terme jusqu'à + 85C.
  

• Installation longue distance sous-marine ou extérieure
  : POF n'est pas conçu pour un déploiement longue distance en extérieur et ne remplace pas les câbles en fibre de verre adaptés à l'extérieur.
  

Normes et essais applicables

Normes internationales

POF est couvert par les normes internationales suivantes :

• CEI 60793-2
  : Applicable aux fibres optiques multimodes de catégorie A4 avec noyau en plastique et revêtement en plastique, y compris les profils à indice de pas, à indice de pas et à indice gradué. Les sous-catégories incluent A4a, A4b, A4c, A4d, A4e, A4f, A4g et A4h.
  

• CEI 60794-2-40
  : Spécification de la famille couvrant les fibres A4 tamponnées et les fibres A4 câblées pour une utilisation en intérieur.
  

• ETSI TS 105 175-1
  : Spécifie les exigences du système de câblage POF pour l'interopérabilité 100 Mbit / s et 1 Gbit / s.
  

• EN 50173-1 et EN 50173-4
  : Définir les pertes de canaux et les exigences de budget de liaison pour POF dans les applications intérieures.
  

Paramètres de test clés

POF vs fibre optique de verre : différences clés

Questions fréquemment posées

Le POF est-il adapté à une installation en extérieur?

Non. Le POF est principalement conçu pour les applications intérieures. Des câbles en fibre de verre adaptés à l'extérieur avec des barrières anti-humidité, un blindage et une protection UV appropriés sont nécessaires pour un déploiement extérieur. Le POF ne doit pas être utilisé pour des applications extérieures à longue distance ou à enfouissement direct.

Le POF peut-il remplacer la fibre de verre dans toutes les applications?

Non. Le POF et la fibre de verre desservent différents segments de marché. Le POF est optimisé pour les applications à courte distance, peu coûteuses et faciles à installer, tandis que la fibre de verre est nécessaire pour les télécommunications long-courriers à large bande passante.

Quelle est la plage de température de fonctionnement typique du POF?

Le POF standard fonctionne de -20 ° C à + 70 ° C, avec une capacité à court terme jusqu'à + 85 ° C. Les variantes de POF perfluorées et spécialisées peuvent offrir des plages de températures étendues.

Le POF nécessite-t-il une mise à la terre?

Non. Le POF est un milieu entièrement diélectrique et ne conduit pas l'électricité, il ne nécessite donc pas de mise à la terre. Cela rend le POF particulièrement adapté aux environnements électriquement sensibles et aux applications où l'immunité EMI est requise.

Quelle est la différence entre les fibres POF et HCS (Hard-Clad Silica)?

POF a à la fois un noyau et un revêtement en plastique, tandis que la fibre HCS a un noyau en verre avec un revêtement en plastique dur. POF offre des diamètres de noyau plus grands et un coût inférieur, tandis que HCS offre une atténuation plus faible que POF mais un coût plus élevé.

Conclusion

La fibre optique en plastique est un membre spécialisé de la famille des fibres optiques, qui se distingue par sa construction en polymère, son grand diamètre de cœur, son ouverture numérique élevée, sa facilité de terminaison et son faible coût. Bien que le POF ne puisse pas égaler les performances d'atténuation et de bande passante de la fibre optique en verre, il fournit une solution rentable, flexible et immunisée contre les EMI pour les applications à courte distance, notamment les réseaux automobiles, l'automatisation industrielle, les réseaux domestiques, l'électronique grand public, l'éclairage et la détection médicale. Le développement du POF à indice gradué et du POF perfluoré continue d'élargir l'enveloppe de performance de cette technologie. Le POF est régi par des normes internationales, notamment IEC 60793-2 et IEC 60794-2-40, qui définissent les exigences dimensionnelles, mécaniques, de transmission et environnementales pour les fibres de catégorie A4.

Références

1. La fiber optic Association (FOA). 
   Fibre optique plastique (POF)
   . Disponible sur : 
   https://www.thefoa.org/tech/pof.htm
   

2. Linden Photonics Inc. 
   Fibre optique en verre vs fibre optique en plastique : une comparaison complète
   . 2024

3. CEI 60793-2. 
   Fibres optiques - Partie 2 : Spécifications du produit - Spécifications sectionnelles pour les fibres multimodes de catégorie A4
   

4. CEI 60794-2-40. 
   câbles à fibres optiques - Partie 2-40 : Câbles à fibres optiques intérieurs - Spécification de la famille pour les câbles à fibres A4
   

5. COMOSS Electronic Co., Ltd. 
   Fiche technique du câble OptoLup™ POF
   

6. ETSI TS 105 175-1. 
   Spécifications du système de fibre optique en plastique pour 100 Mbit / s et 1 Gbit / s
   

7. IEEE Xplore. 
   Transmission GI-POF à différents débits binaires, longueurs de fibre et longueurs d'onde : 1310 et 1550 nm
   . 2024

8. Kaino T, Jingugi K, Nara S. 
   Fibres optiques en plastique à faible perte
   . Conférence sur la communication par fibre optique, 1983