Главная | Библиотека | Статьи | Пластиковое оптическое волокно (POF)

Пластиковое оптическое волокно (POF)

10.05.2016
Логотип

Когда речь заходит об оптическом волокне, большинство людей имеют в виду волокно, изготовленное из кварцевого стекла – то, которое за последние десятилетия буквально опутало земной шар и без которого уже невозможно представить себе сферу телекоммуникаций. И хотя кварцевое оптоволокно действительно является самым распространенным типом оптических световодов, кварц – не единственный материал, который используется для их производства. Последние годы все большую популярность приобретает волокно, целиком изготовленное из полимерных материалов, – пластиковое (полимерное) оптическое волокно (POF – Plastic/Polymer Optical Fiber). На рис. 1 изображен внешний вид кабеля с пластиковым оптическим волокном.

Пластиковое оптическое волокно (POF),кабель на катушке

Рис. 1. Волоконно-оптический кабель POF

 

Хотя оптические свойства полимерных материалов не позволяют пластиковому волокну вытеснить кварцевое волокно из сферы передачи данных, благодаря ряду отличительных особенностей оно может составить конкуренцию как кварцевому волокну, так и медным линиям (витой паре, коаксиальному кабелю), в некоторых областях применения. Более того, можно с уверенностью сказать, что POF уже заняло достойное место на рынке телекоммуникаций.

 

Немного истории

Первое пластиковое оптическое волокно было изготовлено еще в 1960-х годах компанией DuPont. Потери в первых пластиковых волокнах были на уровне 1000 дБ/км. Совершенствование технологии позволило снизить величину затухания до нескольких сотен дБ/км, что, тем не менее, не шло ни в какое сравнение с затуханием, которое было достигнуто в кварцевом волокне (около 1 дБ/км). К началу 1990-х кварцевое волокно стало активно использоваться для передачи на дальние расстояния. А в непротяженных низкоскоростных линиях связи главенствовали традиционные линии из меди. Все это привело к тому, что разработка и производство пластикового оптоволокна практически прекратилось.

Однако последующее увеличение потока передаваемой информации, появление все большего числа систем, требующих передачи цифрового сигнала на короткие расстояния, а также развитие автоматизации промышленных процессов, привело к тому, что оптическое волокно стало все больше использоваться в коротких линиях связи, особенно там, где медные линии не обеспечивали качественной передачи информации. При этом ставилась задача создать среду для передачи сигнала, обладающую всеми преимуществами оптического волокна, но в то же время имеющую конкурентоспособную стоимость в сравнении с медными линиями. И в этот момент разработчики снова обратили внимание на пластиковое оптическое волокно.

 

Структура и особенности пластикового волокна

Пластиковое оптическое волокно представляет собой многомодовое оптоволокно большого диаметра, сердцевина и оболочка которого изготовлены из полимерных материалов.

Химический состав используемых полимеров, геометрические размеры и профиль показателя преломления сильно варьировались на протяжении последнего полувека. Некоторые из разработок были стандартизированы. Так, стандарт IEC-60793-2-40 выделяет восемь типов пластикового волокна, отличающихся своей структурой и, как следствие, оптическими характеристиками. Однако наибольшее распространение получило пластиковое волокно с диаметром сердцевины и оболочки 980/1000 мкм и ступенчатым показателем преломления. Внешняя защитная оболочка обычно имеет диаметр 2,2 мм. В качестве материала сердцевины используется полиметилметакрилат (PMMA) – материал, известный также под названиями оргстекло, акрил, плексиглас и т.д. Внешняя оболочка, как правило, изготавливается из полиэтилена. Именно об этом типе POF мы и поговорим подробнее (рис. 2).

Пластиковое оптическое волокно (POF) в разрезе, структура POF

Рис. 2. Структура пластикового оптического волокна

 

В пластиковом оптоволокне, диаметр которого значительно превосходит диаметр кварцевого волокна (стандартное многомодовое кварцевое волокно имеет размеры 50/125 мкм), одновременно может распространяться огромное число пространственных мод оптического излучения. Это число может достигать нескольких миллионов. Числовая апертура пластикового волокна (NA) имеет величину около 0,5. Одномодовое пластиковое волокно не производится.

Оптические свойства полимерных материалов обуславливают значительное возрастание потерь в пластиковом волокне по сравнению с кварцевым. Типичный спектр затухания пластикового волокна изображен на рис. 3. Как видно, минимумы затухания POF находятся в видимом диапазоне (520, 560 и 650 нм) и имеют значения от 100 до 200 дБ/км. Отметим, что при использовании вместо PMMA перфторированных полимеров в качестве материала сердцевины минимум потерь смещается в ИК диапазон (около 1300 нм). Большое количество распространяемых мод способствует межмодовой дисперсии и уширению распространяемого сигнала во времени.

Затухание (потери) в пластиковом оптическом волокне

Рис. 3. Спектральная характеристика затухания в пластиковом оптическом волокне

 

Преимущества POF

Линии на основе пластикового оптоволокна привлекают инженеров, прежде всего, стоимостью и простотой монтажа.

Благодаря большой апертуре пластикового волокна ввод излучения в него значительно проще, чем в случае волокон с маленькой сердцевиной. Поэтому вместо дорогостоящих узконаправленных лазеров или специальной фокусирующей оптики в передатчиках для POF используются дешевые светодиоды (LED) с широким углом расходимости, излучающие в видимом диапазоне.

Другим неоспоримым преимуществом работы с POF является простота монтажа коннектора. Для POF производятся как стандартные коннекторы (ST, FC, SMA…), так и коннекторы специальной конструкции (например, семейства Versatile Link от Avago Technologies, см. рис. 4). Поскольку полимерный материал легче поддается обработке, чем кварц, работа с ним требует меньших навыков и времени. Процесс оконцовки сводится к снятию внешней оболочки кабеля, скалыванию волокна, установке коннектора и полировке торца (видео). Для монтажа некоторых коннекторов также нужен обжимной инструмент. Все необходимые приспособления имеют значительно меньшую стоимость, чем в случае кварцевого оптоволокна. Эпоксидный клей, как правило, не используется.

Симплексные и дуплексные коннекторы Versatile Link для пластикового волокна (POF)

Рис. 4. Коннекторы Versatile Link для пластикового волокна

 

Кроме того, пластиковое волокно можно присоединить к передатчикам и приемникам без использования коннектора (для этого некоторые модули имеют специальный механизм фиксации). В этом случае необходимо только сформировать ровный торец волокна и вставить его в разъем устройства.

В конструкции пластикового волоконно-оптического кабеля для коротких линий, как правило, не используются какие-либо упрочняющие элементы. Это связано с хорошими механическими характеристиками самого волокна (прочность, стойкость к нагрузкам и изгибам) и с теми условиями, в которых обычно оно используется (об этом речь пойдет далее).

Таким образом, использование пластикового волокна позволяет существенно ускорить процесс прокладывания линии связи, а также быстро заменить поврежденные участки при необходимости. Хотя само по себе пластиковое волокно стоит несколько дороже кварцевого, общая стоимость компонентов линии и затраты на монтаж и ремонт значительно снижаются.

Помимо особенностей, присущих самому POF, этот тип волокна имеет все те же преимущества перед медными линиями, что и кварцевое волокно, например, невосприимчивость к электромагнитному излучению и изолирующие свойства (защита от высоких напряжений), меньшие габариты и вес.

 

Применение

Несмотря на все эти преимущества, нерешенным остается вопрос: что же делать с тем огромным по меркам ВОЛС затуханием, возникающим в полимерных материалах? Действительно, POF имеет заметные ограничения по скорости и дальности передачи информации. Обычно линии на основе пластикового волокна имеют длину порядка нескольких десятков метров, а максимальная скорость передачи ограничивается примерно 200 Мбит/с (скорость передачи может достигать и нескольких Гбит/с, но при этом используются волокна с другим профилем показателя преломления и технология мультиплексирования).

Однако именно эти ограничения и определили сферу применения пластикового волокна. По дальности и скорости передачи POF никогда не смогут конкурировать с кварцевым волокном. Однако в непротяженных сетях, не требующих к тому же высоких скоростей, проявляются преимущества пластикового волокна, о которых писалось выше.

Итак, применение пластикового волокна целесообразно в следующих областях:

  • Промышленные линии связи. Поскольку пластиковое волокно (как и кварцевое) является диэлектриком, его можно использовать вблизи мощных источников электромагнитных помех, например, вблизи электродвигателей, преобразователей электрической энергии, силовых кабелей. Также POF эффективно осуществляет высоковольтную развязку оборудования с разными потенциалами, а потому может быть использовано там, где оптронная или какая-либо другая развязка неэффективна. Таким образом, пластиковое волокно успешно заменяет медные линии в индустриальных сетях, работающих по протоколам RS-485, Fast Ethernet, Fieldbus.
  • Датчики. POF с успехом применяется в различного рода промышленных датчиках. Один из примеров – датчик электрической дуги в КРУ подстанций – подробно разбирался на нашем сайте.
  • Автомобильная электроника. В современной автомобильной промышленности все большее внимание уделяется программно-аппаратным комплексам управления различными системами внутри транспортных средств, в частности мультимедийными системами. Пластиковое волокно полностью удовлетворяет требованиям для среды передачи в таких условиях. Разрабатываются специальные протоколы для автомобильных линий связи (например, MOST – Media Oriented Systems Transport).
  • Медицина. В медицине пластиковое волокно может использоваться, например, для защиты (изоляции) пациента от пробоя диагностического и лечебного оборудования, а также для связи между блоком управления и высоковольтным оборудованием (рентгеновский аппарат).
  • Специальные/корпоративные сети передачи данных. Эта сфера применения пластикового волокна пока не получила большого распространения в нашей стране. Однако в масштабах квартиры или офиса пластиковое волокно вполне может конкурировать с традиционными медными линиями.
  • Системы удаленного освещения. POF может быть использовано не только для передачи информационного сигнала, но и для подсветки удаленных объектов и в рекламных конструкциях.

 

Если подвести итог, то сфера использования пластикового волокна – любые короткие низкоскоростные линии связи. Особенно эффективно его применение в условиях, в которых передача по медным линиям сопряжена с трудностями или же невозможна вообще, а использование кварцевого волокна экономически невыгодно.

 

Что предлагаем мы?

Компания «ЭФО» является официальным дистрибьютором компании Broadcom Limited (ранее Avago Technologies) – одного из ведущих мировых производителей компонентов для пластикового оптического волокна. Компания выпускает пластиковый оптический кабель (симплексный и дуплексный) с величиной затухания 0,22 и 0,19 дБ/м, соединительные изделия (коннекторы, адаптеры), а также широкий ассортимент передатчиков, приемников и трансиверов для пластикового волокна. Большую часть этого сегмента продукции Avago составляют компоненты линейки Versatile Link («Универсальное соединение»), отличающиеся высокой надежностью, привлекательной стоимостью и простотой эксплуатации (рис. 5). Компоненты Versatile Link давно пользуются популярностью у разработчиков промышленных линий связи по всему миру. Кроме того, мы поставляем инструменты и расходные материалы для работы с пластиковым волокном.

Компоненты Avago Versatile Link, кабель POF, передатчики, приемники, трансиверы, адаптеры

Рис. 5. Компоненты семейства Versatile Link для пластикового оптического волокна: 1 - передатчики/приемники, 2 - трансивер, 3 - дуплексный патч-корд, 4 - дуплексные адаптеры (розетки)

 

Также мы предлагаем пластиковые кабели компаний Mitsubishi Chemical (ранее Mitsubishi Rayon) и Asahi Kasei. Эти японские компании являются одними из лидеров в сфере производства POF и предлагают широкий ассортимент пластиковых волокон различных диаметров (от 125 мкм до 3 мм) и в различных внешних оболочках, что позволяет использовать их, в частности, в экстремальных условиях. Затухание в волокнах Mitsubishi Chemical и Asahi Kasei обычно составляет 0,15-0,19 дБ/м. Кроме стандартных POF волокон с одной сердцевиной эти компании разрабатывают многосердцевинные волокна, имеющие малые потери на изгибе. Кабели Mitsubishi Chemical и Asahi Kasei могут применяться не только для передачи данных, но и в различных датчиках, системах освещения и передачи изображений.

В таблице ниже приводится сравнение основных параметров POF кабелей волоконом 1 мм, предлагаемых компаниями Broadcom, Mitsubishi Chemical и Asahi Kasei.

Параметр сравнения Broadcom Mitsubishi Chemical Asahi Kasei
Затухание, дБ/км 0,19
0,22
 
 
0,16
0,17
0,19
0,20
0,15
0,16
0,25
 
Материал оболочки PE
Halogen-free PE
 
 
 
PE
Chlorinated PE
Cross-linked PE
PVC
PA
PE
Halogen-free PE
LSZH PE
PVC
PA
Температурный диапазон, °С -40/+85
 
 
 
 
-40/+70
-40/+85
-55/+70
-55/+85
-55/+105
-55/+70
-55/+80
-55/+85
-55/+90
-55/+105

________________________________________________________________

Другие статьи об оптическом волокне и его разновидностях: