Пластиковое оптическое волокно (POF): определение, типы, конструкция и применение

Пластиковое оптическое волокно (POF) представляет собой многомодовое оптическое волокно, полностью изготовленное из полимерных материалов, с большим диаметром сердечника, обычно 1 мм, что обеспечивает легкую световую связь со светодиодными источниками и простое недорогое прекращение. В отличие от стеклянного оптического волокна (GOF), которое используется для дальней связи, POF предназначен для передачи данных на короткие расстояния, автомобильных сетей, промышленной автоматизации и приложений освещения, где простота установки и экономическая эффективность имеют приоритет перед сверхнизким затуханием и высокой пропускной способностью. В этой статье рассматриваются определение, типы, конструкция, производственный процесс, эксплуатационные характеристики, приложения и применимые стандарты пластикового оптического волокна.

Что такое пластиковое оптическое волокно?

Пластиковое оптическое волокно (POF) - это оптическое волокно, в котором сердечник и оболочка изготовлены из пластиковых материалов. Ядро обычно состоит из полиметилметакрилата (ПММА), а оболочка изготовлена из фторированного полимера. Показатель преломления сердечника выше, чем у оболочки, так что световые лучи, передаваемые в волокно, отражаются обратно на границе между сердечником и оболочкой.

Важное различие
: POF отличается от стекловолокна (GOF) как по материалу, так и по производительности. GOF использует чрезвычайно чистое кварцевое стекло и достигает ослабления до 0,2 дБ / км при 1550 нм, тогда как POF имеет типичное ослабление 0.15-00,2 дБ / м при 650 нм, что примерно в 1000 раз выше. Таким образом, POF не заменяет стекловолокно в магистральных приложениях на большие расстояния или с высокой пропускной способностью, а скорее является дополнительной технологией для "последних ста метров".

Виды пластикового оптического волокна

POF классифицируется на два основных типа на основе профиля показателя преломления:

Step-Index POF (SI-POF)

Индекс шага POF имеет равномерный показатель преломления по всему сердечнику с резким изменением на границе оболочки сердечника. Это наиболее распространенный и самый дешевый тип POF. Однако SI-POF страдает от большой интермодальной дисперсии, которая ограничивает его выход на расстояние до полосы пропускания менее 10 ГГц · км. Типичный SI-POF имеет диаметр сердечника примерно 1 мм и числовую апертуру (NA) 0,5.

Graded-Index POF (GI-POF)

Градуцированный POF имеет показатель преломления, который постепенно уменьшается от центра сердечника до соединения оболочка сердечника. Этот профиль компенсирует интермодальную задержку, позволяя лучам света, которые проходят более длинные пути, двигаться быстрее. GI-POF предлагает значительно более высокую полосу пропускания, чем SI-POF, при этом современные конструкции предлагают полосу пропускания до 2 ГГц на расстояниях до 100 метров. Перфторированный GI-POF (PF-GI-POF) - это более производительный вариант с диаметром сердечника от 50 мкм до 120 мкм.

Как производится пластиковое оптическое волокно?

POF изготавливается с использованием методов, которые значительно отличаются от производства стекловолокна. Существует два основных подхода к производству:

Метод чертежа преформы

В этом методе сначала изготавливают полимерную преформу с желаемым профилем показателя преломления, например, путем центробежного осаждения, при котором смесь метилметакрилата и бензилметакрилата подается в быстро вращающуюся трубку и полимеризуется термической реакцией. Затем преформу нагревают и втягивают в волокно. Этот метод, включая закрытую полимеризацию и волокнистую вытяжку, эффективен для получения POF с низкими потерями при затухании до 55 дБ / км при длине волны 568 нм.

Метод экструзии

Экструзия - это непрерывный процесс, способный производить POF с коммерчески полезными скоростями, например, не менее 1 м / с для волокна наружного диаметра 250 мкм. В процессе диффузионной соэкструзии два или более полимерных материала, содержащих добавки для модификации показателя преломления, подаются отдельно в соэкструзионную головку, где образуется концентрическая многослойная структура. Допанты диффундируют в процессе изготовления, а профиль показателя преломления можно контролировать путем регулирования температуры зоны диффузии и скорости вращения шнека. Этот метод использовался для изготовления GI-POF с шириной полосы пропускания более 600 Мбит / с на расстоянии 100 м.

Постэкструзионная обработка

Стадия постэкструзии может увеличить молекулярную массу полимерной матрицы в диапазоне от приблизительно 30000 до по меньшей мере 300000, придавая волокну хорошую механическую и термическую стабильность.

Основные характеристики производительности

Затухание

Затухание POF wavelength-dependent и значительно выше, чем у стекловолокна. Типичное SI-POF имеет затухание примерно 0.15-00,2 дБ / м при 650 нм. POF с сердечником из ПММА имеет минимум затухания в видимой области между 520 нм и 670 нм. Перфторированный GI-POF достигает более низкого затухания примерно на 60 дБ / км в О-диапазоне 1290-1320 нм, хотя затухание увеличивается примерно до 200 дБ / км в S, C и L-диапазонах. Было обнаружено, что теоретический нижний предел затухания в перфторированном POF при 850 нм составляет 10 дБ / км.

Численная апертура

POF имеет большую числовую апертуру (NA) обычно в диапазоне от 0,3 до 0,5. Этот большой NA в сочетании с большим диаметром сердечника делает POF очень устойчивым к смещению и позволяет легко соединять свет от недорогих светодиодных источников. Угол приема обычно составляет 60.

Пропускная способность

Пропускная способность SI-POF ограничена интермодальной дисперсией. GI-POF предлагает значительно более высокую пропускную способность, с текущими конструкциями, предлагающими до 2 ГГц на 100 м. Исследования продемонстрировали многогигабитную передачу через POF для ближней связи.

Минимальный радиус изгиба

POF обеспечивает превосходную гибкость. Типичный минимальный радиус изгиба для симплексного POF-кабеля составляет 15 мм, а для дуплексных конфигураций - 25 мм. Эта гибкость позволяет развертывать его в труднодоступных местах и суровых условиях.

Подходящие и неподходящие применения

Подходящие применения

• Автомобильные внутриавтомобильные сети
  : POF используется для информационно-развлекательных систем, освещения, мультимедийных сетей и передачи данных с датчиков, предлагая устойчивость к электромагнитным помехам и высокоскоростную передачу данных. Такие стандарты, как MOST и Flexray, широко применяются для автомобильных приложений POF.
  

• Промышленная автоматизация
  POF используется в робототехнике, промышленных системах управления и автоматизации производства, где расстояния невелики, а электромагнитные помехи вызывают беспокойство.
  

• Домашняя сеть
  : POF обеспечивает недорогое и простое в установке решение для домашних сетей передачи данных.
  

• Бытовая электроника
  Цифровые оптические аудиопорты в телевизорах и потребительском аудиооборудовании обычно используют POF.
  

• Освещение и освещение
  : POF широко используется для декоративного освещения, музейного освещения светочувствительных объектов, освещения бассейна и потолочных эффектов звездного поля.
  

• Медицинские датчики
  Биосовместимость POF позволяет контролировать физиологические признаки, такие как частота дыхания, частота сердечных сокращений, давление в ногах и движение суставов.
  

Случаи, требующие другого типа волокна

• Дальнемагистральные телекоммуникации
  : Высокое затухание POF (0,2 дБ / м против 0,2 дБ / км для стекловолокна) делает его непригодным для расстояний более нескольких сотен метров.
  

• Высокоскоростные магистральные сети
  : Стекловолокно обеспечивает пропускную способность до 100 ГГц · км, что намного превышает возможности POF.
  

• Высокотемпературные среды
  : POF имеет более низкий температурный допуск, чем стекловолокно; типичный рабочий диапазон составляет от -20C до + 70C, с краткосрочной возможностью до + 85C.
  

• Подводная или открытая междугородняя установка
  : POF не предназначен для наружного развертывания на большие расстояния и не заменяет наружные кабели из стекловолокна.
  

Применимые стандарты и испытания

Международные стандарты

POF соответствует следующим международным стандартам:

• МЭК 60793-2
  : Применимо к многомодовым оптическим волокнам категории A4 с пластиковым сердечником и пластиковой оболочкой, включая ступенчатые, многоступенчатые и градуированные профили. Подкатегории включают A4a, A4b, A4c, A4d, A4e, A4f, A4g и A4h.
  

• МЭК 60794-2-40
  : Семейство спецификаций, охватывающих буферные волокна A4 и кабельные волокна A4 для внутреннего использования.
  

• ЭТСИ ТС 105 175-1
  : Указывает требования к кабельной системе POF для совместимости со скоростью 100 Мбит / с и 1 Гбит / с.
  

• EN 50173-1 и EN 50173-4
  : Определите потери канала и требования к бюджету канала для POF в внутренних приложениях.
  

Ключевые параметры теста

POF против стекловолокна: основные различия

Часто задаваемые вопросы

Подходит ли POF для наружной установки?

Нет. POF в первую очередь предназначен для внутреннего применения. Наружные стекловолоконные кабели с надлежащими влагозащитными барьерами, бронированием и защитой от ультрафиолета необходимы для наружного развертывания. POF не следует использовать для наружных дальних или прямых захоронений.

Может ли POF заменить стекловолокно во всех приложениях?

Нет. POF и стекловолокно обслуживают различные сегменты рынка. POF оптимизирован для коротких, недорогих, простых в установке приложений, в то время как стекловолокно необходимо для дальнемагистральных телекоммуникаций с высокой пропускной способностью.

Каков типичный диапазон рабочих температур POF?

Стандартный POF работает от -20C до + 70C, с краткосрочной способностью до + 85C. Перфторированные и специальные варианты POF могут предлагать расширенные диапазоны температур.

Требуется ли заземление POF?

Нет. POF является полностью диэлектрической средой и не проводит электричество, поэтому не требует заземления. Это делает POF особенно подходящим для электрически чувствительных сред и приложений, где требуется устойчивость к электромагнитным помехам.

В чем разница между волокном POF и HCS (Hard-Clad Silica)?

POF имеет как сердечник, так и облицовку из пластика, тогда как волокно HCS имеет стеклянный сердечник с жесткой пластиковой оболочкой. POF предлагает больший диаметр сердечника и меньшую стоимость, в то время как HCS обеспечивает более низкое затухание, чем POF, но более высокую стоимость.

Заключение

Пластиковое оптическое волокно является специализированным членом семейства оптических волокон, отличающимся полимерной конструкцией, большим диаметром сердечника, высокой числовой апертурой, простотой оконечности и низкой стоимостью. Хотя POF не может сравниться с характеристиками затухания и полосы пропускания стекловолокна, он обеспечивает экономичное, гибкое и EMI-иммунное решение для приложений на коротких расстояниях, включая автомобильные сети, промышленную автоматизацию, домашние сети, бытовую электронику, освещение и медицинское зондирование. Разработка градиентного POF и перфторированного POF продолжает расширять диапазон характеристик этой технологии. POF регулируется международными стандартами, включая IEC 60793-2 и IEC 60794-240, которые определяют размерные, механические, трансмиссионные и экологические требования к волокнам категории A4.

Ссылки

1. Волоконно-оптическая ассоциация (FOA). 
   Пластиковое оптическое волокно (POF)
   . Доступно по адресу: 
   https://www.thefoa.org/tech/pof.htm
   

2. Линден Фотоникс Инк. 
   Стекловолокно и пластиковое оптическое волокно: всестороннее сравнение
   . 2024

3. МЭК 60793-2. 
   Оптические волокна - Часть 2: Спецификация продукции - Спецификация секции для многомодовых волокон категории А4
   

4. МЭК 60794-2-40. 
   Волоконно-оптические кабели - Часть 2-40: Внутренние волоконно-оптические кабели - Спецификация семейства для волоконно-оптических кабелей A4
   

5. КОМОСС Электроник Ко., ЛТД. 
   OptoLup™ POF кабель Лист данных
   

6. ЭТСИ ТС 105 175-1. 
   Спецификации пластиковой волоконно-оптической системы на 100 Мбит / с и 1 Гбит / с
   

7. IEEE Xplore. 
   Передача GI-POF при разрядности, длине волокна и длине волны: 1310 и 1550 Нм
   . 2024

8. Кайно Т., Джингуги К., Нара С. 
   Пластиковые оптические волокна с малыми потерями
   . Конференция связи оптического волокна, 1983