Waarom gebruikt plastic optische vezel 650 nm rood licht in plaats van 850 nm?

Een golflengte zoals 650 nm kan er op een datasheet van een plastic optische vezel uitzien als een simpele lijn. In de praktijk vertegenwoordigt het echter een veel grotere technische beslissing.

Conventionele PMMA plastic optische vezel (POF) werkt doorgaans met zichtbaar rood licht rond 650 nm, omdat de vezel, de optische bron, de transmitterbehuizing, de ontvanger en het beschikbare optische vermogensbudget in dat gebied effectief samenwerken. De golflengte is niet alleen door de vezel geselecteerd, noch simpelweg omdat rood licht zichtbaar is.

Dit verklaart ook waarom standaard PMMA POF normaal gesproken geen 850 nm gebruikt, ook al wordt 850 nm veel gebruikt in silicium multimode vezelsystemen. De twee vezeltechnologieën zijn gebaseerd op verschillende materialen, verschillende dempingsspectra en verschillende opto-elektronische ecosystemen.

De nuttige vraag is daarom niet simpelweg “Waarom 650 nm?” Het is:

Waarom werkt een PMMA POF-link goed als een compleet optisch systeem rond 650 nm?

Standaard PMMA plastic optische vezel werkt doorgaans rond 650 nm omdat deze golflengte binnen een nuttig transmissievenster met lage verliezen van PMMA valt en kan worden afgestemd op praktische rode LED-transmitters en compatibele ontvangers. Het resultaat is een economische, robuuste optische link voor korte afstanden in plaats van een golflengte die alleen door de vezel is geselecteerd.

Verschillende factoren moeten tegelijkertijd samenvallen:

• de vezel moet acceptabele demping hebben bij de operationele golflengte;

• een geschikte emitter moet voldoende optisch vermogen in dat gebied genereren;

• dat licht moet efficiënt in de grote POF-kern worden gekoppeld;

• de ontvanger moet voldoende gevoeligheid hebben voor het verzonden spectrum;

• de complete link moet voldoende optische marge behouden over de vereiste afstand en temperatuurbereik.

Daarom moet 650 nm worden begrepen als een systeemwerkingsgebied, niet slechts een materiaaleigenschap.

Als vezeldemping de enige overweging was, konden ingenieurs simpelweg het laagste punt op een dempingscurve identificeren en de transmitter daar plaatsen.

Echte optische links zijn ingewikkelder.

Een extreem vezelgolflengte met lage verliezen is van weinig praktisch nut als efficiënte, betrouwbare, economische emitters daar moeilijk te verkrijgen zijn. Evenzo is een uitstekende LED niet nuttig als de vezel de output ervan sterk absorbeert.

Een succesvolle link vereist overlap tussen de spectrale kenmerken van de vezel en de opto-elektronische componenten.

Voor conventionele PMMA POF werd het rode gebied rond 650 nm een van de werkingsgebieden waar die vereisten samen konden worden vervuld.

Vezeldemping is niet constant met golflengte.

Wanneer optisch vermogen door een vezel reist, gaat een deel van dat vermogen verloren door absorptie, verstrooiing, imperfecties en andere mechanismen. De relatieve bijdrage van die mechanismen verandert met de golflengte.

PMMA heeft daarom geen uniforme verlieswaarde die van toepassing is op alle kleuren licht.

PMMA optische demping verandert met golflengte

PMMA is een organisch polymeer waarvan de moleculaire structuur koolstof-waterstofbindingen bevat. Moleculaire trillingen die geassocieerd worden met deze bindingen dragen bij aan absorptiebanden en boventonen over het optische spectrum.

Als gevolg hiervan bevat het dempingsspectrum gebieden met relatief hoge en relatief lage verliezen in plaats van een soepele horizontale lijn.

Conventionele PMMA POF heeft verschillende relatief lage-verliesgebieden in het zichtbare spectrum, waaronder een belangrijk rood transmissievenster rond 650 nm.

Voor communicatie-ingenieurs is het belangrijke gevolg simpel:

het veranderen van de golflengte verandert hoe snel de vezel optisch vermogen verbruikt.

Het rode gebied rond 650 nm biedt voldoende lage demping voor de korte afstanden waar standaard 1 mm PMMA POF veelvuldig wordt gebruikt.

PMMA POF-demping nabij dit gebied wordt normaal gesproken per meter besproken in plaats van de zeer lage per-kilometer verliesniveaus die geassocieerd worden met siliciumvezels voor lange afstanden.

Dat maakt PMMA geen substituut voor glasvezel met lage verliezen voor lange afstanden. Het weerspiegelt een ander technisch doel.

Industriële PMMA POF-links zijn over het algemeen kort. Binnen die afstanden biedt 650 nm een werkbare combinatie van vezelverlies, beschikbaarheid van optische bronnen, koppel tolerantie en ontvangerprestaties.

Niet noodzakelijk.

Dit onderscheid is belangrijk omdat PMMA meer dan één relatief laag-verliesgebied heeft in het zichtbare spectrum. Andere zichtbare golflengten kunnen ook gunstige demping bieden, afhankelijk van de vezelsamenstelling en meetomstandigheden.

Daarom is de bewering dat POF 650 nm gebruikt simpelweg omdat “650 nm de golflengte met de laagste verliezen van PMMA is” te simplistisch.

De nuttigere verklaring is dat 650 nm een gunstige systeem-level combinatie biedt van PMMA-transmissie en volwassen rode opto-elektronica.

Die combinatie is belangrijker dan het isoleren van het laagste punt op de vezeldempingscurve.

Nadat het vezelspectrum is beschouwd, is het volgende deel van het systeem de optische bron.

Veel industriële POF-transmitters gebruiken rode LED's waarvan de emissie gecentreerd is nabij het PMMA rode transmissievenster. Dit stelt de optische bron en de vezel in staat om als een passend paar te werken.

Een LED zendt niet al zijn optische vermogen uit op één wiskundig exacte golflengte.

Het heeft een spectrale verdeling rond een centrale golflengte. Die verdeling is belangrijk omdat elk deel van het uitgezonden spectrum door een vezel reist waarvan de demping ook varieert met de golflengte.

Een 650 nm rode LED afstemmen op het PMMA transmissievenster

Een POF-transmitter moet daarom worden geëvalueerd op meer dan een label zoals “650 nm.”

Relevante parameters zijn onder meer:

• centrale golflengte;

• spectrale breedte;

• gekoppeld optisch uitgangsvermogen;

• koppelingsrendement in de vezel;

• golflengteverschuiving met temperatuur;

• uitgangsvermogen variatie met temperatuur en veroudering.

Als het emitter spectrum verschuift naar een deel met hogere verliezen van de PMMA-dempingscurve, verbruikt de vezel meer van de beschikbare optische marge.

De LED en de vezel zijn daarom spectrale componenten van dezelfde link.

Voor conventionele PMMA-links voor korte afstanden bieden LED's een praktische combinatie van optische output, eenvoudige aandrijvingselektronica, mechanische robuustheid en kosten.

De grote kern van standaard POF maakt ook efficiënte koppeling mogelijk zonder de extreem nauwe uitlijningstoleranties die geassocieerd worden met veel optische systemen met kleine kernen.

Dit betekent niet dat een LED universeel superieur is aan een laser. Het betekent dat voor veel conventionele industriële POF-links een rode LED het benodigde prestatieniveau biedt zonder onnodige optische complexiteit toe te voegen.

Hier worden vergelijkingen tussen POF en glasvezel vaak misleidend.

Een ingenieur die bekend is met datacenteroptica ziet mogelijk 850 nm gebruikt in multimode vezelsystemen en vraagt zich redelijkerwijs af waarom dezelfde golflengte niet simpelweg voor POF wordt gebruikt.

Het antwoord is dat 850 nm tot een andere vezel-en-emitter combinatie behoort.

PMMA en silicium zijn chemisch verschillende materialen. Hun absorptiemechanismen en nuttige golflengtevensters zijn daarom verschillend.

Een golflengte die zeer goed werkt in silicium is niet automatisch een goede werk golflengte in PMMA.

Voor conventioneel PMMA stijgt de demping aanzienlijk naarmate de operationele golflengte verschuift van de nuttige zichtbare transmissievensters naar een groot deel van het nabij-infraroodgebied. Dat extra vezelverlies verbruikt het beschikbare optische vermogensbudget sneller.

Een 850 nm bron kan nog steeds licht in PMMA injecteren. Het probleem is niet of licht fysiek de vezel binnendringt.

Het probleem is of het resulterende linkverlies acceptabel is voor de beoogde afstand en ontvangergevoeligheid.

Silicium multimode vezel volgde een ander technisch pad.

Moderne OM3 en OM4 multimode vezels zijn specifiek geoptimaliseerd voor laseroverdracht rond 850 nm en worden vaak gecombineerd met 850 nm VCSEL-transmitters.

Het bredere systeem is daarom opgebouwd rond een andere combinatie:

silicium multimode vezel + 850 nm VCSEL + snelle ontvanger + gestandaardiseerde transceiverinterface

Conventionele industriële POF evolueerde rond een andere combinatie:

650 nm PMMA POF vs 850 nm silicium multimode vezel

PMMA vezel + ongeveer 650 nm rode emitter + POF transmitter/ontvanger + grote kern optische interface

Het verschil is daarom niet:

650 nm = oudere technologie
850 nm = geavanceerdere technologie

Het werkelijke verschil is dat elk vezelmateriaal is geoptimaliseerd samen met zijn eigen emitter en ontvanger ecosysteem.

Geen van beide golflengten is inherent beter.

Elk van hen is zinvol in het optische systeem waarvoor het is ontwikkeld.

De gemakkelijkste manier om industriële POF te begrijpen, is door op te houden met golflengte te behandelen als een op zichzelf staande specificatie.

Een werkende link kan worden weergegeven als:

Vezel + LED + Transmitter + Ontvanger: De Complete POF Link

Elektrisch signaal → transmitter → LED → POF → ontvanger → elektrisch signaal

Elke fase beïnvloedt of er voldoende optisch vermogen de ontvanger bereikt met voldoende marge.

De transmitter bepaalt het optische vermogen dat in de vezel wordt gelanceerd en het spectrum waarover dat vermogen wordt verdeeld.

Het werkelijke gedrag verandert ook met de bedrijfsomstandigheden.

De centrale golflengte van een rode LED is niet volledig vast. Het verschuift met de bedrijfstemperatuur, terwijl het optische uitgangsvermogen ook kan variëren over het gespecificeerde temperatuurbereik.

Dit betekent dat een transmitter met het label “650 nm” niet mag worden behandeld als een perfect monochromatische bron die onder alle omstandigheden exact op 650 nm werkt.

De praktische zorg is of het transmitter spectrum gunstig blijft overlappen met het PMMA transmissievenster over het vereiste werkingsbereik.

Vezeldemping kan worden benaderd als:

Vezelverlies = demping bij de operationele golflengte × vezellengte

Maar vezelverlies is slechts een deel van een echt systeem.

Connectoren, koppelinterfaces, componenttoleranties, temperatuureffecten, transmitterveroudering en ontwerpreserve kunnen ook marge verbruiken.

Een vereenvoudigde optische linkrelatie is daarom:

Beschikbaar transmitter-naar-ontvanger vermogensbudget − koppelings- en verbindingsverliezen − vezelverlies − vereiste marge = resterende linkmarge

In de praktijk wordt de maximale linklengte bepaald door het gecombineerde effect van transmitter output, ontvangergevoeligheid, vezeldemping, verbindingsverliezen, temperatuurvariatie en de marge gereserveerd voor betrouwbare werking.

Aan het andere uiteinde van de kabel heeft de ontvanger een minimale optische ingangsvereiste.

Als te veel vermogen verloren gaat voordat het signaal dat punt bereikt, kan betrouwbare werking niet langer worden gegarandeerd.

Daarom beïnvloedt golflengte de transmissieafstand, zelfs als de transmitterelektronica en de kabelgeometrie ongewijzigd blijven.

Een hogere dempingscoëfficiënt betekent meer verlies per meter. Als al het andere in het systeem hetzelfde blijft, raakt de beschikbare optische marge over een kortere afstand uitgeput.

Het antwoord hangt af van hoe ver de golflengte verschuift en waar deze op het vezeldempingsspectrum verschuift.

De toepassingsrichtlijnen van Broadcom HFBR bieden een nuttig technisch voorbeeld.

In de genoemde POF-link meldt Broadcom dat de vezeldemping bij 650 nm ongeveer 0,05 dB/m lager is dan bij 660 nm. Eerdere POF-systemen gebruikten ook GaAsP-emitters van de 660 nm-klasse, terwijl latere AlInGaP-apparaten het werkingsgebied dichter bij 650 nm brachten.

Een verschil van 0,05 dB/m lijkt misschien klein.

Over 50 m vezel komt dat verschil echter overeen met ongeveer 2,5 dB optisch verlies.

Dat is genoeg om ertoe te doen in een link die dicht bij zijn vermogensbudgetlimiet werkt.

Het voorbeeld illustreert een belangrijk principe: zelfs binnen het rode gebied kan de keuze van de golflengte de bruikbare afstand beïnvloeden.

Bewegen van 650 naar 660 nm houdt de emitter nog steeds nabij het conventionele rode werkingsgebied.

Bewegen van 650 naar 850 nm is een fundamenteel andere verandering.

De dempingseigenschappen van standaard PMMA zijn veel minder gunstig over een groot deel van dit nabij-infraroodgebied. Meer optisch vermogen gaat daarom verloren in de vezel, waardoor er minder marge overblijft bij de ontvanger.

De praktische les is rechttoe rechtaan:

het vervangen van een 650 nm POF-transmitter door een 850 nm bron behoudt niet het oorspronkelijke linkbudget simpelweg omdat beide bronnen licht in de vezel kunnen lanceren.

Het volledige dempingsspectrum moet worden overwogen.

Industriële apparatuur werkt niet altijd bij kamertemperatuur.

Temperatuur kan het LED-spectrum verschuiven en de optische output veranderen. Omdat het vezelverlies zelf golflengteafhankelijk is, kunnen deze veranderingen de beschikbare linkmarge beïnvloeden.

Een robuuste POF-link moet daarom niet alleen werken onder nominale omstandigheden bij kamertemperatuur, maar ook over het vereiste bedrijfstemperatuurbereik.

Dit is nog een reden waarom de specificaties van de transmitter en de vezel samen moeten worden geëvalueerd.

Het Broadcom/Avago HFBR-ecosysteem biedt een praktisch voorbeeld van hoe een operationele golflengte op systeemniveau wordt vastgesteld.

De HFBR-1528Z-klasse transmitter van Broadcom gebruikt een nominale 650 nm LED en is ontworpen voor koppeling in 1 mm POF. In de bijbehorende HFBR-linkarchitectuur ondersteunt deze combinatie gedefinieerde industriële POF-links voor korte afstanden, inclusief configuraties gespecificeerd voor afstanden tot 50 m.

Dezelfde 650 nm architectuur verschijnt ook in snellere HFBR-families zoals de HFBR-0507ETZ, die een 650 nm transmitter combineert met 1 mm POF voor 125-Mbaud links voor korte afstanden.

Het 650 nm industriële HFBR POF-ecosysteem

Het belangrijke punt is niet het individuele onderdeelnummer.

Het is de architectuur.

De transmitter, ontvanger, vezelgeometrie, connectorfamilie, optische vermogensniveaus en applicatiecircuits zijn ontworpen om samen te werken.

Zodra zo'n ecosysteem is vastgesteld, wordt de golflengte ingebed in meer dan alleen de LED zelf. Het beïnvloedt:

• transmitterconstructie;

• spectrale respons van de ontvanger;

• vezelspecificaties;

• connector- en koppelingsontwerp;

• applicatiecircuits;

• linkbudgetberekeningen;

• kwalificatiegegevens;

• geïnstalleerde apparatuur;

• compatibiliteit van vervangingscomponenten.

Veranderen van 650 naar 850 nm zou daarom geen eenvoudige LED-vervanging zijn. Het zou vereisen dat de complete optische link opnieuw wordt overwogen.

Dit is een reden waarom Broadcom/Avago HFBR-producten en vergelijkbare industriële POF-platforms nauw verbonden zijn gebleven met zichtbare rode werking.

Nee.

De term plastic optische vezel beschrijft een brede technologiecategorie, geen universeel materiaal en golflengte.

De discussie over 650 nm is voornamelijk van toepassing op conventionele PMMA POF die veelvuldig wordt gebruikt in industriële en consumentencommunicatielinks voor korte afstanden.

Andere polymeer composities en vezelstructuren kunnen zeer verschillende dempingseigenschappen hebben en kunnen golflengtegebieden ondersteunen die ver buiten het conventionele PMMA 650 nm venster liggen.

Deze grens is belangrijk.

Het zou daarom onjuist zijn om te zeggen:

Alle POF moet 650 nm gebruiken.

Een nauwkeurigere uitspraak is:

Rond 650 nm is het gevestigde werkingsgebied voor conventionele PMMA POF-systemen omdat het de optische kenmerken van PMMA combineert met een volwassen rode emitter en ontvanger ecosysteem.

Het gebruik van 650 nm rood licht in PMMA POF is geen historisch toeval en geen kwestie van het kiezen van een zichtbare kleur.

Het komt voort uit een keten van technische relaties:

Vezelmateriaal → dempingsspectrum → praktisch transmissievenster → optische bron → ontvanger → vermogensbudget → toegestane linkafstand

PMMA biedt nuttige transmissievensters in het zichtbare gebied. Rode halfgeleideremitters kunnen rond het ongeveer 650 nm venster werken met praktische optische vermogens-, kosten- en aandrijvingsvereisten. Ontvangers en industriële transmitterfamilies werden vervolgens rond die combinatie ontworpen.

Silicium multimode vezel volgde een ander pad, met 850 nm VCSEL's en laser-geoptimaliseerde OM3/OM4 vezel.

Daarom is de juiste vergelijking niet simpelweg 650 nm versus 850 nm.

Het is:

PMMA + 650 nm opto-elektronica versus silicium MMF + 850 nm opto-elektronica.

Bij het ontwerpen van optische links is golflengte alleen zinvol wanneer het complete systeem wordt overwogen.

Conventionele PMMA POF gebruikt doorgaans ongeveer 650 nm omdat dit gebied een nuttig vezelvenster met lage verliezen biedt dat kan worden afgestemd op praktische rode LED-transmitters en compatibele ontvangers. De golflengte is daarom het resultaat van een complete linkoptimalisatie in plaats van een eigenschap die alleen aan de vezel is gerelateerd.

Niet noodzakelijk. PMMA heeft meer dan één relatief laag-verliesgebied in het zichtbare spectrum. Het belang van 650 nm komt voort uit de combinatie van acceptabele vezeldemping en volwassen rode opto-elektronische componenten, niet omdat het het enige of universeel laagste dempingspunt is.

Ja, licht op 850 nm kan fysiek door PMMA POF propageren. Conventioneel PMMA heeft echter over het algemeen veel minder gunstige demping in dat gebied dan rond zijn nuttige zichtbare transmissievensters. Het resulterende optische verlies kan daarom de bruikbare transmissieafstand aanzienlijk verminderen.

Silicium multimode vezel heeft andere materiaaleigenschappen dan PMMA en is geoptimaliseerd voor snelle transmissie rond 850 nm. Moderne OM3 en OM4 systemen combineren 850 nm VCSEL-transmitters met laser-geoptimaliseerde silicium multimode vezel, wat een ander optisch ecosysteem vormt dan PMMA POF.

Broadcom/Avago HFBR POF-systemen combineren rode transmitters, compatibele ontvangers, 1 mm POF, connectoren en gedefinieerde optische vermogensbudgetten als een geïntegreerde optische link voor korte afstanden. Het gebruik van ongeveer 650 nm weerspiegelt daarom de bredere PMMA POF-systeemarchitectuur in plaats van een geïsoleerde transmitterkeuze.

Ja. Vezeldemping verandert met golflengte. Als het overschakelen naar een andere golflengte de demping verhoogt, verbruikt de vezel meer optisch vermogen per meter. Tenzij de transmitter output, de ontvangergevoeligheid of een ander deel van het systeem dat extra verlies compenseert, neemt de maximale betrouwbare transmissieafstand af.