Fibra Óptica Plástica (POF): Definição, Tipos, Construção e Aplicações

A fibra óptica de plástico (POF) é uma fibra óptica multimodo feita inteiramente de materiais poliméricos, com um grande diâmetro do núcleo - normalmente 1 mm - que permite um fácil acoplamento de luz de fontes de LED e terminação simples e de baixo custo. Ao contrário da fibra óptica de vidro (GOF), que é usada para telecomunicações de longo curso, a POF foi projetada para transmissão de dados de curta distância, redes em veículos, automação industrial e aplicações de iluminação onde a facilidade de instalação e a eficiência de custo são priorizadas sobre a atenuação ultrabaixa e alta largura de banda. Este artigo cobre a definição, tipos, construção, processo de fabricação, características de desempenho, aplicações e padrões aplicáveis de Fibra óptica de plástico.

O que é fibra óptica de plástico?

A fibra óptica plástica (POF) é uma fibra óptica na qual tanto o núcleo quanto o revestimento são feitos de materiais plásticos. O núcleo é tipicamente composto de polimetilmetacrilato (PMMA), enquanto o revestimento é feito de polímero fluorado. O índice de refração do núcleo é maior do que o do revestimento, de modo que os raios de luz transmitidos para a fibra são refletidos de volta no limite entre o núcleo e o revestimento.

Distinção importante
: POF é diferente da fibra óptica de vidro (GOF) tanto em material quanto em desempenho. O GOF usa vidro de sílica extremamente puro e atinge atenuação tão baixa quanto 0,2 dB / km a 1550 nm, enquanto o POF tem atenuação típica de 0.15-00,2 dB / m a 650 nm - aproximadamente 1.000 vezes maior. O POF não é, portanto, um substituto da fibra de vidro em aplicações de backbone de longa distância ou alta largura de banda, mas sim uma tecnologia complementar para os "últimos cem metros."

Tipos de fibra óptica de plástico

A POF é classificada em dois tipos principais com base no perfil do índice de refração:

Step-Index POF (SI-POF)

A POF de índice escalonado tem um índice de refração uniforme em todo o núcleo, com uma mudança abrupta no limite do revestimento do núcleo. Este é o tipo de POF mais comum e de menor custo. No entanto, o SI-POF sofre de grande dispersão intermodal, o que limita seu produto de largura de banda e distância a menos de 10 GHz · km. O SI-POF típico tem um diâmetro do núcleo de aproximadamente 1 mm e uma abertura numérica (NA) de 0,5.

Graded-Index POF (GI-POF)

A POF de índice graduado tem um índice de refração que diminui gradualmente do centro do núcleo para a junção de revestimento do núcleo. Este perfil compensa o atraso intermodal, permitindo que os raios de luz que tomam caminhos mais longos viajem mais rápido. O GI-POF oferece largura de banda significativamente maior do que o SI-POF, com designs atuais oferecendo largura de banda de até 2 GHz a distâncias de 100 metros. O GI-POF perfluorado (PF-GI-POF) é uma variante de alto desempenho com diâmetros de núcleo variando de 50 a 120 µm.

Como a fibra óptica de plástico é fabricada?

A POF é fabricada usando métodos que diferem significativamente da produção de fibra óptica de vidro. Existem duas abordagens principais de fabricação:

Método de desenho de pré-forma

Neste método, uma pré-forma de polímero com o perfil de índice de refração desejado é primeiro fabricada - por exemplo, por deposição centrífuga, na qual uma mistura de metacrilato de metila e metacrilato de benzila é alimentada em um tubo de rotação rápida e polimerizada por reação térmica. A pré-forma é então aquecida e desenhada em fibra. Este método, incluindo polimerização fechada e desenho de fibra, tem sido eficaz na produção de POF de baixa perda com atenuação tão baixa quanto 55 dB / km no comprimento de onda de 568 nm.

Método de extrusão

A extrusão é um processo contínuo capaz de produzir POF em velocidades comercialmente úteis - por exemplo, pelo menos 1 m / s para fibra de diâmetro externo de 250 µm. No processo de coextrusão assistida por difusão, dois ou mais materiais poliméricos contendo aditivos para modificação do índice de refração são alimentados separadamente em um dado de coextrusão, onde uma estrutura multicamadas concêntrica é formada. Os dopantes se difundem durante o processo de fabricação e o perfil do índice de refração pode ser controlado ajustando a temperatura da zona de difusão e a velocidade de rotação do parafuso. Este método tem sido usado para fabricar GI-POF com largura de banda superior a 600 Mbit / s a 100 m de distância.

Tratamento Pós-Extrusão

Uma etapa pós-extrusão pode aumentar o peso molecular da matriz polimérica para uma faixa de aproximadamente 30.000 a pelo menos 300.000, conferindo boa estabilidade mecânica e térmica à fibra.

Principais características de desempenho

Atenuação

A atenuação da POF é wavelength-dependent e significativamente maior do que a da fibra de vidro. O SI-POF típico tem atenuação de aproximadamente 0.15-00,2 dB / m a 650 nm. A POF com núcleo de PMMA tem mínimos de atenuação na região visível entre 520 nm e 670 nm. O GI-POF perfluorado atinge atenuação inferior de aproximadamente 60 dB / km na banda O de 1290-1320 nm, embora a atenuação aumente para aproximadamente 200 dB / km nas bandas S, C e L. Um limite inferior teórico de atenuação na POF perfluorada a 850 nm foi encontrado em 10 dB / km.

Abertura numérica

O POF tem uma grande abertura numérica (NA) normalmente na faixa de 0,3 a 0,5. Este grande NA, combinado com o grande diâmetro do núcleo, torna o POF altamente tolerante ao desalinhamento e permite o acoplamento fácil da luz de fontes LED baratas. O ângulo de aceitação é normalmente 60.

Largura de banda

A largura de banda do SI-POF é limitada pela dispersão intermodal. O GI-POF oferece largura de banda substancialmente maior, com projetos atuais oferecendo até 2 GHz a 100 m. A pesquisa demonstrou transmissão multi-gigabit sobre POF para comunicações de curto alcance.

Raio mínimo de curvatura

O POF oferece excelente flexibilidade. O raio de dobra mínimo típico para cabos POF simplex é de 15 mm e 25 mm para configurações duplex. Essa flexibilidade permite a implantação em espaços apertados e ambientes hostis.

Aplicações Adequadas e Inadequadas

Aplicações Adequadas

• Redes de veículos automóveis
  : POF é usado para sistemas de infoentretenimento, iluminação, redes multimídia e transmissão de dados de sensores, oferecendo imunidade EMI e transmissão de dados de alta velocidade. Padrões como MOST e Flexray foram amplamente adotados para aplicações POF automotivas.
  

• Automação industrial
  : POF é usado em robótica, sistemas de controle industrial e automação de fábrica onde as distâncias são curtas e a interferência eletromagnética é uma preocupação.
  

• Rede doméstica
  : POF fornece uma solução de baixo custo e fácil de instalar para redes de dados domésticas.
  

• Electrónica de consumo
  : Portas de áudio óptico digital em TVs e equipamentos de áudio de consumo comumente usam POF.
  

• Iluminação e iluminação
  : POF é amplamente utilizado para iluminação decorativa, iluminação de museu de objetos sensíveis à luz, iluminação de piscina e efeitos de teto de campo estelar.
  

• Sensores médicos
  : A biocompatibilidade da POF permite o monitoramento de sinais fisiológicos como frequência respiratória, frequência cardíaca, pressão do pé e movimento articular.
  

Casos que exigem outro tipo de fibra

• Telecomunicações de longo curso
  : A alta atenuação do POF (0,2 dB / m vs. 0,2 dB / km para fibra de vidro) o torna inadequado para distâncias além de algumas centenas de metros.
  

• Redes de backbone de alta largura de banda
  : A fibra de vidro oferece largura de banda de até 100 GHz · km, excedendo em muito as capacidades POF.
  

• Ambientes de alta temperatura
  : POF tem menor tolerância à temperatura do que a fibra de vidro; faixa de operação típica é de -20C a + 70C, com capacidade de curto prazo de até + 85C.
  

• Instalação submarina ou externa de longa distância
  : O POF não foi projetado para implantação de longa distância ao ar livre e não é um substituto para cabos de fibra de vidro para uso externo.
  

Normas e Testes Aplicáveis

Normas Internacionais

A POF é coberta pelas seguintes normas internacionais:

• IEC 60793-2
  : Aplicável às fibras ópticas multimodo da categoria A4 com núcleo de plástico e revestimento de plástico, incluindo perfis de índice escalonado, de índice escalonado e de índice graduado. As subcategorias incluem A4a, A4b, A4c, A4d, A4e, A4f, A4g e A4h.
  

• IEC 60794-2-40
  : Especificação da família cobrindo fibras A4 tamponadas e fibras A4 cabeadas para uso interno.
  

• ETSI TS 105 175-1
  : Especifica os requisitos do sistema de cabeamento POF para interoperabilidade de 100 Mbit / s e 1 Gbit / s.
  

• EN 50173-1 e EN 50173-4
  : Definir perdas de canal e requisitos de orçamento de link para POF em aplicações internas.
  

Principais parâmetros de teste

POF vs. fibra óptica de vidro: principais diferenças

Perguntas Frequentes

POF é adequado para instalação ao ar livre?

Não. O POF é projetado principalmente para aplicações internas. Cabos de fibra de vidro para uso externo com barreiras de umidade adequadas, blindagem e proteção UV são necessários para implantação externa. O POF não deve ser usado para aplicações externas de longa distância ou sepultamento direto.

A POF pode substituir a fibra de vidro em todas as aplicações?

Não. O POF e a fibra de vidro atendem a diferentes segmentos de mercado. O POF é otimizado para aplicações de curta distância, baixo custo e fácil de instalar, enquanto a fibra de vidro é necessária para telecomunicações de longa distância e alta largura de banda.

Qual é a faixa de temperatura operacional típica do POF?

A POF padrão opera de -20C a + 70C, com capacidade de curto prazo de até + 85C. As variantes de POF perfluoradas e especiais podem oferecer faixas de temperatura estendidas.

A POF requer aterramento?

Não. O POF é um meio totalmente dielétrico e não conduz eletricidade, portanto, não requer aterramento. Isso torna o POF particularmente adequado para ambientes e aplicações eletricamente sensíveis onde a imunidade EMI é necessária.

Qual é a diferença entre a fibra POF e HCS (Hard-Clad Silica)?

O POF tem núcleo e revestimento feitos de plástico, enquanto a fibra HCS tem núcleo de vidro com revestimento de plástico rígido. O POF oferece diâmetros de núcleo maiores e menor custo, enquanto o HCS fornece atenuação menor do que o POF, mas custo mais alto.

Conclusão

A fibra óptica plástica é um membro especializado da família de fibras ópticas, distinguida por sua construção em polímero, grande diâmetro do núcleo, alta abertura numérica, facilidade de terminação e baixo custo. Embora a POF não possa igualar o desempenho de atenuação e largura de banda da fibra óptica de vidro, ela fornece uma solução econômica, flexível e imune a EMI para aplicações de curta distância, incluindo redes automotivas, automação industrial, redes domésticas, eletrônicos de consumo, iluminação e sensoriamento médico. O desenvolvimento de POF de índice graduado e POF perfluorada continua a expandir o envelope de desempenho dessa tecnologia. A POF é regida por padrões internacionais, incluindo IEC 60793-2 e IEC 60794-2-40, que definem os requisitos dimensionais, mecânicos, de transmissão e ambientais para fibras da categoria A4.

Referências

1. Associação Brasileira de Fibra Óptica. 
   Fibra Óptica Plástica (POF)
   . Disponível em: 
   https://www.thefoa.org/tech/pof.htm
   

2. Linden Photonics Inc. 
   Fibra Óptica de Vidro vs Fibra Óptica de Plástico: Uma Comparação Abrangente
   . 2024

3. IEC 60793-2. 
   Fibras ópticas - Parte 2: Especificações de produto - Especificações seccionais para fibras multimodo da categoria A4
   

4. IEC 60794-2-40. 
   Cabos de fibra óptica - Parte 2-40: Cabos de fibra óptica para interiores - Especificação da família para cabos de fibra A4
   

5. COMOSS Electronic Co., LTD. 
   Ficha de™ dados do cabo OptoLup POF
   

6. ETSI TS 105 175-1. 
   Especificações do sistema de fibra óptica de plástico para 100 Mbit / s e 1 Gbit / s
   

7. IEEE Xplore. 
   Transmissão GI-POF em diferentes taxas de bits, comprimentos de fibra e comprimentos de onda: 1310 e 1550 Nm
   . 2024

8. Kaino T, Jingugi K, Nara S. 
   Fibras ópticas de plástico de baixa perda
   . Conferência de Comunicação por Fibra Óptica, 1983