Why Does Plastic Optical Fiber Use 650 nm Red Light Instead of 850 nm?

Длина волны, например 650 нм, может выглядеть как простая линия в таблице данных пластикового оптического волокна. Однако на практике это представляет собой гораздо более масштабное инженерное решение.

ОбщепринятыйПластиковое оптическое волокно ПММА (POF)обычно работает с видимым красным светом около 650 нм, поскольку волокно, оптический источник, блок передатчика, приемник и доступный бюджет оптической мощности эффективно работают вместе в этом регионе.Длина волны была выбрана не только по волокну или просто потому, что виден красный свет.

Это также объясняет, почему в стандартном PMMA POF обычно не используется длина волны 850 нм, хотя длина волны 850 нм широко используется в многомодовых волоконно-оптических системах на основе кремнезема. Две волоконные технологии основаны на разных материалах, разных спектрах затухания и разных оптоэлектронных экосистемах.

Поэтому полезный вопрос заключается не просто в том, «Почему 650 нм?» Это:

Почему линия связи PMMA POF хорошо работает как полноценная оптическая система в диапазоне 650 нм?

Стандартное пластиковое оптическое волокно из ПММА обычно работает на длине волны около 650 нм, поскольку эта длина волны попадает в полезное окно передачи с низкими потерями для ПММА и может сочетаться с практичными передатчиками на красных светодиодах и совместимыми приемниками. В результате получается экономичная и надежная оптическая линия связи на короткие расстояния, а не длина волны, выбираемая только по оптоволокну.

Несколько факторов должны совпасть одновременно:

• волокно должно иметь приемлемое затухание на рабочей длине волны;

• подходящий излучатель должен генерировать достаточную оптическую мощность в этом регионе;

• этот свет должен эффективно проникать в большое ядро ​​POF;

• приемник должен иметь достаточную чувствительность к передаваемому спектру;

• вся линия связи должна поддерживать достаточный оптический запас на требуемом расстоянии и в температурном диапазоне.

Вот почему 650 нм следует понимать какоперационная область системы, а не просто материальная собственность.

Если бы затухание в оптоволокне было единственным фактором, инженеры могли бы просто определить самую низкую точку на кривой затухания и разместить там передатчик.

Реальные оптические каналы связи более сложны.

Длина волны волокна с чрезвычайно низкими потерями не имеет практической ценности, если там трудно получить эффективные, надежные и экономичные излучатели. Точно так же отличный светодиод бесполезен, если волокно сильно поглощает его выходной сигнал.

Успешная связь требует перекрытия спектральных характеристикволокно и оптоэлектронные компоненты.

Для обычного PMMA POF красная область около 650 нм стала одной из рабочих областей, где эти требования могут быть удовлетворены вместе.

Затухание в волокне не является постоянным в зависимости от длины волны.

Когда оптическая мощность проходит через волокно, часть этой мощности теряется из-за поглощения, рассеяния, дефектов и других механизмов. Относительный вклад этих механизмов меняется с длиной волны.

Поэтому у ПММА нет единого значения потерь, применимого ко всем цветам света.

Изменение оптического затухания ПММА в зависимости от длины волны

ПММА — органический полимер, молекулярная структура которого содержит углерод-водородные связи. Молекулярные колебания, связанные с этими связями, вносят полосы поглощения и обертоны во всем оптическом спектре.

В результате спектр затухания вместо плавной горизонтальной линии содержит области относительно высоких и относительно низких потерь.

Обычный PMMA POF имеет несколько областей с относительно низкими потерями во всем видимом спектре, включая важное красное окно пропускания около 650 нм.

Для инженеров связи важное следствие простое:

изменение длины волны меняет скорость потребления оптической мощности волокном.

Красная область около 650 нм обеспечивает достаточно низкое затухание на коротких расстояниях, где обычно используется стандартный PMMA POF толщиной 1 мм.

Затухание POF PMMA в этой области обычно обсуждается в расчете на метр, а не на очень низкие уровни потерь на километр, характерные для кварцевого волокна на большие расстояния.

Это не делает ПММА заменой стекловолокна для дальних перевозок с низкими потерями. Это отражает другую инженерную цель.

Промышленные звенья PMMA POF обычно короткие. На этих расстояниях длина волны 650 нм обеспечивает работоспособное сочетание потерь в оптоволокне, доступности оптического источника, допуска на соединение и производительности приемника.

Не обязательно.

Это различие имеет значение, поскольку ПММА имеет более одной области с относительно низкими потерями в видимом спектре. Другие длины волн видимого диапазона также могут обеспечить благоприятное затухание в зависимости от состава волокна и условий измерения.

Поэтому говорить, что POF использует длину волны 650 нм просто потому, что «650 нм — это длина волны с наименьшими потерями среди ПММА», слишком упрощенно.

Более полезное объяснение состоит в том, чтоДлина волны 650 нм предлагает выгодную комбинацию передачи PMMA на системном уровне и зрелой красной оптоэлектроники..

Эта комбинация имеет большее значение, чем определение самой низкой точки на кривой затухания волокна в отдельности.

После рассмотрения спектра волокна следующей частью системы является оптический источник.

Во многих промышленных передатчиках POF используются красные светодиоды, излучение которых сосредоточено возле красного окна передачи из PMMA. Это позволяет оптическому источнику и волокну работать как согласованная пара.

Светодиод не излучает всю свою оптическую мощность на одной математически точной длине волны.

Он имеет спектральное распределение вокруг центральной длины волны. Это распределение имеет значение, поскольку каждая часть излучаемого спектра проходит через волокно, затухание которого также зависит от длины волны.

Согласование красного светодиода с длиной волны 650 нм с окном передачи из ПММА

Поэтому передатчик POF должен оцениваться не только по ярлыку, такому как «650 нм».

Соответствующие параметры включают в себя:

• центральная длина волны;

• спектральная ширина;

• связанная выходная оптическая мощность;

• эффективность связи с волокном;

• сдвиг длины волны с температурой;

• изменение выходной мощности в зависимости от температуры и старения.

Если спектр излучателя перемещается в сторону части кривой затухания PMMA с более высокими потерями, волокно потребляет большую часть доступного оптического запаса.

Таким образом, светодиод и волокно являются спектрально связанными компонентами одного и того же канала.

Для обычных линий связи из ПММА ближнего радиуса действия светодиоды предлагают практичное сочетание оптического выхода, простой электроники привода, механической прочности и стоимости.

Большой сердечник стандартного POF также делает возможным эффективное соединение без чрезвычайно жестких допусков на центровку, присущих многим оптическим системам с маленьким сердечником.

Это не означает, что светодиод универсально превосходит лазер. Это означает, что для многих традиционных промышленных каналов POF красный светодиод обеспечивает необходимый уровень производительности, не усложняя при этом ненужную оптическую сложность.

Именно здесь сравнение ПОФ и стекловолокна часто вводит в заблуждение.

Инженер, знакомый с оптикой центров обработки данных, может увидеть, что длина волны 850 нм используется во всех многомодовых оптоволоконных системах, и резонно задаться вопросом, почему та же самая длина волны просто не используется для POF.

Ответ в том, чтоДлина волны 850 нм относится к другой комбинации волокна и излучателя..

ПММА и диоксид кремния — химически разные материалы. Поэтому их механизмы поглощения и полезные окна длин волн различны.

Длина волны, которая очень хорошо работает с диоксидом кремния, автоматически не является хорошей рабочей длиной волны для ПММА.

Для обычного ПММА затухание существенно возрастает по мере того, как рабочая длина волны перемещается из полезного видимого окна пропускания в большую часть ближней инфракрасной области. Дополнительные потери в оптоволокне быстрее расходуют доступный бюджет оптической мощности.

Источник с длиной волны 850 нм все еще может излучать свет в ПММА. Вопрос не в том, проникает ли свет в волокно физически.

Вопрос в том, будет ли полученный в результатепотеря связи приемлема для заданного расстояния и чувствительности приемника.

Многомодовое волокно из кремнезема пошло по другому инженерному пути.

Современные многомодовые волокна OM3 и OM4 специально оптимизированы для передачи лазера на длине волны около 850 нм и обычно сочетаются с передатчиками VCSEL на 850 нм.

Таким образом, более широкая система построена на другой комбинации:

Многомодовое волокно из кремниевого волокна + VCSEL 850 нм + высокоскоростной приемник + стандартизированный интерфейс приемопередатчика

Традиционный промышленный POF развивался вокруг другой комбинации:

650 нм ПММА POF по сравнению с кремнеземным многомодовым волокном 850 нм

Волокно PMMA + красный излучатель примерно 650 нм + передатчик/приемник POF + оптический интерфейс с большим сердечником

Таким образом, разница не в следующем:

650 нм = старая технология
850 нм = более продвинутая технология

Реальная разница заключается в том, что каждый материал волокна был оптимизирован вместе со своей собственной экосистемой излучателя и приемника.

Ни одна длина волны по своей сути не лучше.

Каждый из них имеет смысл в той оптической системе, для которой он был разработан.

Самый простой способ понять промышленный POF — перестать рассматривать длину волны как отдельную спецификацию.

Рабочую ссылку можно представить как:

Волокно + светодиод + передатчик + приемник: полное соединение POF

Электрический сигнал → передатчик → светодиод → POF → приемник → электрический сигнал

Каждый этап влияет на то, достигнет ли приемник достаточной оптической мощности с достаточным запасом.

Передатчик определяет оптическую мощность, передаваемую в волокно, и спектр, по которому эта мощность распределяется.

Его реальное поведение также меняется в зависимости от условий эксплуатации.

Центральная длина волны красного светодиода не полностью фиксирована. Она меняется в зависимости от рабочей температуры, а ее выходная оптическая мощность также может меняться в указанном температурном диапазоне.

Это означает, что передатчик с маркировкой «650 нм» не следует рассматривать как идеально монохроматический источник, работающий ровно на длине волны 650 нм при любых условиях.

Практическая проблема заключается в том, продолжает ли спектр передатчика благоприятно перекрываться с окном передачи PMMA в требуемом рабочем диапазоне.

Затухание в волокне можно приблизительно определить как:

Потери в волокне = затухание на рабочей длине волны × длина волокна

Но потеря оптоволокна — это лишь часть реальной системы.

Разъемы, интерфейсы связи, допуски компонентов, температурные воздействия, старение преобразователя и конструктивные резервы также могут потреблять запас.

Таким образом, упрощенная взаимосвязь оптической линии связи выглядит следующим образом:

Доступный бюджет мощности передатчика-приемника – потери на связь и соединение – потери в оптоволокне – требуемый запас = оставшийся запас на линии связи

На практике максимальная длина линии связи определяется совокупным влиянием выходной мощности передатчика, чувствительности приемника, затухания волокна, потерь в соединении, изменения температуры и запаса, зарезервированного для надежной работы.

На другом конце кабеля приемник имеет минимальные требования к оптическому входу.

Если слишком большая мощность будет потеряна до того, как сигнал достигнет этой точки, надежная работа больше не может быть гарантирована.

Вот почему длина волны влияет на дальность передачи, даже если электроника передатчика и геометрия кабеля остаются неизменными.

Более высокий коэффициент затухания означает больше потерь на метр. Если все остальные части системы останутся прежними, доступный оптический запас будет исчерпан на более коротком расстоянии.

Ответ зависит от того, насколько далеко перемещается длина волны и где она перемещается в спектре затухания волокна.

Руководство Broadcom по применению HFBR представляет собой полезный инженерный пример.

В указанной ссылке POF Broadcom сообщает, что затухание волокна на длине волны 650 нм составляет околона 0,05 дБ/м ниже, чем при 660 нм. Более ранние системы POF также использовали эмиттеры GaAsP класса 660 нм, а более поздние устройства AlInGaP переместили рабочую область ближе к 650 нм.

Разница в 0,05 дБ/м может показаться незначительной.

Однако на 50-метровом оптоволокне эта разница соответствует примерно 2,5 дБ оптических потерь.

Этого достаточно, чтобы иметь значение для линии, работающей близко к пределу своего бюджета мощности.

Этот пример иллюстрирует важный принцип: даже в красной зоне выбор длины волны может влиять на полезное расстояние.

При переходе от 650 к 660 нм эмиттер по-прежнему остается вблизи обычной красной рабочей области.

Переход от 650 к 850 нм — это принципиально иное изменение.

Характеристики затухания стандартного ПММА гораздо менее благоприятны в большей части этой ближней инфракрасной области. Таким образом, в волокне теряется больше оптической мощности, оставляя меньший запас на приемнике.

Практический урок прост:

замена передатчика POF с длиной волны 650 нм на источник с длиной волны 850 нм не сохраняет исходный бюджет канала просто потому, что оба источника могут излучать свет в волокно.

Необходимо учитывать полный спектр затухания.

Промышленное оборудование не всегда работает при комнатной температуре.

Температура может сместить спектр светодиода и изменить его оптический выход. Поскольку потери в волокне сами по себе зависят от длины волны, эти изменения могут повлиять на доступный запас связи.

Поэтому надежное соединение POF должно работать не только при номинальной комнатной температуре, но и в требуемом диапазоне рабочих температур.

Это еще одна причина, по которой характеристики передатчика и волокна необходимо оценивать вместе.

Экосистема Broadcom/Avago HFBR представляет собой практический пример того, как рабочая длина волны устанавливается на уровне системы.

Передатчик Broadcom класса HFBR-1528Z использует номинальныйСветодиод 650 нми предназначен для соединения в1 мм ПОФ. В соответствующей архитектуре каналов HFBR эта комбинация поддерживает определенные промышленные каналы POF на короткие расстояния, включая конфигурации, рассчитанные на расстояния до 50 м.

Та же самая архитектура 650 нм также присутствует в более быстрых семействах HFBR, таких как HFBR-0507ETZ, который сочетает в себе передатчик 650 нм с POF 1 мм для каналов ближнего действия со скоростью 125 Мбод.

Промышленная экосистема HFBR POF с длиной волны 650 нм

Важным моментом является не индивидуальный номер детали.

Это архитектура.

Передатчик, приемник, геометрия волокна, семейство разъемов, уровни оптической мощности и прикладные схемы были разработаны для совместной работы.

Как только такая экосистема создана, длина волны становится не только частью самого светодиода. Это влияет:

• конструкция передатчика;

• спектральная характеристика приемника;

• характеристики волокна;

• конструкция соединителя и муфты;

• схемы приложений;

• расчеты линк-бюджета;

• квалификационные данные;

• установленное оборудование;

• совместимость заменяемых компонентов.

Таким образом, переход с 650 на 850 нм не будет простой заменой светодиодов. Это потребует пересмотра всей оптической линии связи.

Это одна из причин, по которой продукты Broadcom/Avago HFBR и аналогичные промышленные платформы POF по-прежнему тесно связаны с работой в видимом красном диапазоне.

Нет.

Терминпластиковое оптическое волокноописывает широкую категорию технологий, а не один универсальный материал и длину волны.

Обсуждение 650 нм применимо в основном к обычным POF из ПММА, широко используемым в промышленных и потребительских линиях связи на короткие расстояния.

Другие полимерные композиции и структуры волокон могут иметь совершенно другие характеристики затухания и поддерживать диапазоны длин волн, значительно выходящие за пределы обычного окна 650 нм из ПММА.

Эта граница важна.

Поэтому было бы неправильно сказать:

Все POF должны использовать длину волны 650 нм.

Более точное утверждение следующее:

Около 650 нм является общепринятым рабочим диапазоном для обычных систем POF из ПММА, поскольку он соответствует оптическим характеристикам ПММА со зрелой экосистемой красного излучателя и приемника.

Использование красного света с длиной волны 650 нм в ПММА ПОФ не является исторической случайностью и не просто вопросом выбора видимого цвета.

Оно происходит из цепочки инженерных связей:

Материал волокна → спектр затухания → практическое окно передачи → оптический источник → приемник → бюджет мощности → допустимое расстояние линии связи

ПММА обеспечивает полезные окна пропускания в видимой области. Красные полупроводниковые эмиттеры могут работать в диапазоне примерно 650 нм с практическими требованиями к оптической мощности, стоимости и приводу. Впоследствии на основе этой комбинации были разработаны семейства приемников и промышленных передатчиков.

Многомодовое волокно из кремнезема пошло по другому пути: с VCSEL 850 нм и оптимизированным для лазера волокном OM3/OM4.

Вот почему правильное сравнение – это не просто650 нм против 850 нм.

Это:

ПММА + оптоэлектроника 650 нм против диоксида кремния ММФ + оптоэлектроника 850 нм.

При проектировании оптической линии длина волны имеет смысл только при рассмотрении всей системы.

В обычном POF из ПММА обычно используется длина волны около 650 нм, поскольку эта область обеспечивает полезное оптоволоконное окно с низкими потерями, которое можно сопоставить с практичными передатчиками с красными светодиодами и совместимыми приемниками. Таким образом, длина волны является результатом полной оптимизации канала, а не свойством только волокна.

Не обязательно. ПММА имеет более одной области с относительно низкими потерями в видимом спектре. Важность длины волны 650 нм обусловлена ​​сочетанием приемлемого затухания в оптоволокне и проверенными красными оптоэлектронными компонентами, а не тем, что она является единственной или повсеместно самой низкой точкой затухания.

Да, свет с длиной волны 850 нм может физически распространяться через PMMA POF. Однако обычный ПММА обычно имеет гораздо менее благоприятное затухание в этой области, чем в его полезном видимом окне пропускания. Таким образом, возникающие в результате оптические потери могут значительно сократить полезное расстояние передачи.

Многомодовое волокно из кремнезема имеет характеристики материала, отличные от ПММА, и оптимизировано для высокоскоростной передачи данных на длине волны около 850 нм. Современные системы OM3 и OM4 сочетают в себе передатчики VCSEL с длиной волны 850 нм и оптимизированное для лазера кварцевое многомодовое волокно, образуя оптическую экосистему, отличную от PMMA POF.

Системы Broadcom/Avago HFBR POF сочетают в себе передатчики красного цвета, совместимые приемники, POF диаметром 1 мм, разъемы и определенные бюджеты оптической мощности в рамках интегрированной оптической линии связи на короткие расстояния. Таким образом, использование примерно 650 нм отражает более широкую архитектуру системы PMMA POF, а не выбор изолированного передатчика.

Да. Затухание в волокне меняется в зависимости от длины волны. Если переход на другую длину волны увеличивает затухание, волокно потребляет больше оптической мощности на метр. Если выход передатчика, чувствительность приемника или другая часть системы не компенсируют эти дополнительные потери, максимальное надежное расстояние передачи уменьшается.