Una longitud de onda como 650 nm puede parecer una simple línea en una hoja de datos de fibra óptica de plástico. En la práctica, sin embargo, representa una decisión de ingeniería mucho mayor.
ConvencionalFibra óptica de plástico PMMA (POF)comúnmente opera con luz roja visible alrededor de 650 nm porque la fibra, la fuente óptica, el paquete del transmisor, el receptor y el presupuesto de potencia óptica disponible trabajan juntos de manera efectiva en esa región.La longitud de onda no fue seleccionada únicamente por la fibra, ni tampoco simplemente porque la luz roja sea visible.
Esto también explica por qué el PMMA POF estándar normalmente no usa 850 nm, aunque 850 nm se usa ampliamente en sistemas de fibra multimodo de sílice. Las dos tecnologías de fibra se basan en diferentes materiales, diferentes espectros de atenuación y diferentes ecosistemas optoelectrónicos.
Por lo tanto, la pregunta útil no es simplemente “¿Por qué 650 nm?” Es:
¿Por qué un enlace PMMA POF funciona bien como un sistema óptico completo alrededor de 650 nm?
¿Por qué el PMMA POF suele funcionar alrededor de 650 nm?
La fibra óptica de plástico PMMA estándar normalmente opera alrededor de 650 nm porque esta longitud de onda se encuentra dentro de una útil ventana de transmisión de baja pérdida de PMMA y puede combinarse con prácticos transmisores LED rojos y receptores compatibles. El resultado es un enlace óptico de corta distancia económico y robusto en lugar de una longitud de onda seleccionada únicamente por la fibra.
Varios factores deben confluir al mismo tiempo:
-
la fibra debe tener una atenuación aceptable en la longitud de onda operativa;
-
un emisor adecuado debe generar suficiente potencia óptica en esa región;
-
esa luz debe acoplarse eficientemente al gran núcleo POF;
-
el receptor debe tener una sensibilidad adecuada al espectro transmitido;
-
el enlace completo debe mantener un margen óptico suficiente en la distancia y el rango de temperatura requeridos.
Por este motivo, 650 nm debe entenderse comoregión operativa del sistema, no simplemente una propiedad material.
650 nm es un sistema práctico óptimo, no un número arbitrario
Si la atenuación de la fibra fuera la única consideración, los ingenieros podrían simplemente identificar el punto más bajo en una curva de atenuación y colocar el transmisor allí.
Los enlaces ópticos reales son más complicados.
Una longitud de onda de fibra con pérdidas extremadamente bajas tiene poco valor práctico si allí es difícil conseguir emisores eficientes, fiables y económicos. De manera similar, un LED excelente no es útil si la fibra absorbe fuertemente su salida.
Un enlace exitoso requiere superposición entre las características espectrales de laLa fibra y los componentes optoelectrónicos..
Para PMMA POF convencional, la región roja alrededor de 650 nm se convirtió en una de las regiones operativas donde esos requisitos podían satisfacerse juntos.
El espectro de atenuación de PMMA: por qué es importante la longitud de onda
La atenuación de la fibra no es constante con la longitud de onda.
Cuando la potencia óptica viaja a través de una fibra, parte de esa potencia se pierde por absorción, dispersión, imperfecciones y otros mecanismos. La contribución relativa de esos mecanismos cambia con la longitud de onda.
Por lo tanto, el PMMA no tiene un valor de pérdida uniforme que se aplique a todos los colores de luz.
Cambios de atenuación óptica de PMMA con la longitud de onda
La absorción de C – H crea ventanas de transmisión en PMMA
El PMMA es un polímero orgánico cuya estructura molecular contiene enlaces carbono-hidrógeno. Las vibraciones moleculares asociadas con estos enlaces contribuyen con bandas de absorción y armónicos en todo el espectro óptico.
Como resultado, el espectro de atenuación contiene regiones de pérdida relativamente alta y relativamente baja en lugar de una línea horizontal suave.
El PMMA POF convencional tiene varias regiones de pérdida relativamente baja en todo el espectro visible, incluida una importante ventana de transmisión roja alrededor de 650 nm.
Para los ingenieros de comunicaciones, la consecuencia importante es simple:
El cambio de longitud de onda cambia la rapidez con la que la fibra consume energía óptica.
Por qué es útil la ventana roja cerca de 650 nm
La región roja alrededor de 650 nm proporciona una atenuación suficientemente baja para distancias cortas donde comúnmente se usa PMMA POF estándar de 1 mm.
La atenuación de PMMA POF cerca de esta región normalmente se analiza por metro en lugar de los muy bajos niveles de pérdida por kilómetro asociados con la fibra de sílice de larga distancia.
Eso no convierte al PMMA en un sustituto de la fibra de vidrio de larga distancia y de bajas pérdidas. Refleja un objetivo de ingeniería diferente.
Los enlaces industriales PMMA POF son generalmente cortos. Dentro de esas distancias, 650 nm proporciona una combinación viable de pérdida de fibra, disponibilidad de fuente óptica, tolerancia de acoplamiento y rendimiento del receptor.
¿Es 650 nm la longitud de onda de menor pérdida del PMMA?
No necesariamente.
Esta distinción es importante porque el PMMA tiene más de una región de pérdida relativamente baja en el espectro visible. Otras longitudes de onda visibles también pueden proporcionar una atenuación favorable dependiendo de la composición de la fibra y las condiciones de medición.
Por lo tanto, decir que POF utiliza 650 nm simplemente porque “650 nm es la longitud de onda de PMMA con menor pérdida” es demasiado simplista.
La explicación más útil es que650 nm ofrece una combinación favorable a nivel de sistema de transmisión de PMMA y optoelectrónica roja madura.
Esa combinación es más importante que identificar el punto más bajo de la curva de atenuación de la fibra de forma aislada.
¿Por qué los transmisores POF utilizan LED rojos?
Una vez que se considera el espectro de la fibra, la siguiente parte del sistema es la fuente óptica.
Muchos transmisores POF industriales utilizan LED rojos cuya emisión está centrada cerca de la ventana de transmisión roja de PMMA. Esto permite que la fuente óptica y la fibra funcionen como un par coincidente.
El LED debe coincidir con la fibra, no solo producir luz
Un LED no emite toda su potencia óptica en una longitud de onda matemáticamente exacta.
Tiene una distribución espectral alrededor de una longitud de onda central. Esa distribución es importante porque cada parte del espectro emitido viaja a través de una fibra cuya atenuación también varía con la longitud de onda.
Emparejar un LED rojo de 650 nm con la ventana de transmisión de PMMA
Por lo tanto, un transmisor POF debe evaluarse mediante más de una etiqueta como "650 nm".
Los parámetros relevantes incluyen:
-
longitud de onda central;
-
ancho espectral;
-
potencia de salida óptica acoplada;
-
eficiencia de acoplamiento en la fibra;
-
cambio de longitud de onda con la temperatura;
-
variación de la potencia de salida con la temperatura y el envejecimiento.
Si el espectro del emisor se mueve hacia una parte de mayor pérdida de la curva de atenuación de PMMA, la fibra consume más margen óptico disponible.
Por tanto, el LED y la fibra son componentes acoplados espectralmente de un mismo enlace.
Por qué los LED se adaptan a enlaces POF industriales cortos
Para enlaces PMMA convencionales de corto alcance, los LED ofrecen una combinación práctica de salida óptica, electrónica de accionamiento simple, robustez mecánica y costo.
El gran núcleo del POF estándar también hace posible un acoplamiento eficiente sin las tolerancias de alineación extremadamente estrictas asociadas con muchos sistemas ópticos de núcleo pequeño.
Esto no significa que un LED sea universalmente superior a un láser. Esto significa que para muchos enlaces POF industriales convencionales, un LED rojo proporciona el nivel de rendimiento necesario sin agregar complejidad óptica innecesaria.
¿Por qué no utilizar la longitud de onda de 850 nm común en la fibra multimodo?
Aquí es donde las comparaciones entre POF y fibra de vidrio a menudo resultan engañosas.
Un ingeniero familiarizado con la óptica de centros de datos puede ver que se utilizan 850 nm en todos los sistemas de fibra multimodo y preguntarse razonablemente por qué no se utiliza simplemente la misma longitud de onda para POF.
La respuesta es que850 nm pertenece a una combinación diferente de fibra y emisor.
La sílice y el PMMA tienen diferentes espectros de pérdida óptica
El PMMA y la sílice son materiales químicamente diferentes. Por tanto, sus mecanismos de absorción y ventanas de longitud de onda útiles son diferentes.
Una longitud de onda que funciona muy bien en sílice no es automáticamente una buena longitud de onda operativa en PMMA.
Para el PMMA convencional, la atenuación aumenta sustancialmente a medida que la longitud de onda operativa se aleja de sus útiles ventanas de transmisión visible hacia gran parte de la región del infrarrojo cercano. Esa pérdida adicional de fibra consume más rápidamente el presupuesto de energía óptica disponible.
Una fuente de 850 nm todavía puede inyectar luz en PMMA. La cuestión no es si la luz entra físicamente en la fibra.
La cuestión es si el resultadoLa pérdida del enlace es aceptable para la distancia prevista y la sensibilidad del receptor..
850 nm pertenece al ecosistema sílice multimodo + VCSEL
La fibra multimodo de sílice siguió un camino de ingeniería diferente.
Las fibras multimodo OM3 y OM4 modernas están optimizadas específicamente para la transmisión láser alrededor de 850 nm y comúnmente se combinan con transmisores VCSEL de 850 nm.
Por lo tanto, el sistema más amplio se construye en torno a una combinación diferente:
Fibra multimodo de sílice + VCSEL de 850 nm + receptor de alta velocidad + interfaz de transceptor estandarizada
El POF industrial convencional evolucionó en torno a otra combinación:
PMMA POF de 650 nm frente a fibra multimodo de sílice de 850 nm
Fibra PMMA + emisor rojo de aproximadamente 650 nm + transmisor/receptor POF + interfaz óptica de núcleo grande
Por tanto, la diferencia no es:
650 nm = tecnología más antigua
850 nm = tecnología más avanzada
La verdadera diferencia es que cada material de fibra se ha optimizado junto con su propio ecosistema de emisor y receptor.
| Comparación |
PMMA POF convencional |
Fibra multimodo de sílice |
| Región operativa típica |
Alrededor de 650 nm |
Alrededor de 850 nm |
| Material del núcleo |
PMMA |
Sílice |
| Bases de diseño óptico. |
Ventana visible de PMMA de bajas pérdidas |
MMF optimizado para láser de 850 nm |
| Enfoque de fuente común |
LED rojo o emisor rojo relacionado |
VCSEL de 850 nm |
| Énfasis típico del sistema |
Sólidas conexiones industriales de corta distancia |
Enlaces de datos de alta velocidad y corto alcance |
| ¿Se puede simplemente intercambiar la longitud de onda? |
No, el presupuesto de energía cambia |
No: el ecosistema está diseñado en torno a su propia combinación de fibra y fuente. |
Ninguna longitud de onda es inherentemente mejor.
Cada uno tiene sentido en el sistema óptico para el que fue desarrollado.
Piensa en Sistemas: Fibra + LED + Transmisor + Receptor
La forma más sencilla de entender la POF industrial es dejar de tratar la longitud de onda como una especificación independiente.
Un enlace de trabajo se puede representar como:
Fibra + LED + Transmisor + Receptor: El enlace POF completo
Señal eléctrica → transmisor → LED → POF → receptor → señal eléctrica
Cada etapa afecta si suficiente potencia óptica llega al receptor con suficiente margen.
El transmisor define más que la longitud de onda nominal
El transmisor determina la potencia óptica lanzada a la fibra y el espectro sobre el que se distribuye esa potencia.
Su comportamiento real también cambia con las condiciones de funcionamiento.
La longitud de onda central de un LED rojo no es completamente fija. Cambia con la temperatura de funcionamiento, mientras que su potencia de salida óptica también puede variar en el rango de temperatura especificado.
Esto significa que un transmisor con la etiqueta "650 nm" no debe tratarse como una fuente perfectamente monocromática que funciona exactamente a 650 nm en todas las condiciones.
La preocupación práctica es si el espectro del transmisor continúa superponiéndose favorablemente con la ventana de transmisión de PMMA en todo el rango operativo requerido.
La fibra consume el presupuesto de energía óptica.
La atenuación de la fibra se puede aproximar como:
Pérdida de fibra = atenuación en la longitud de onda operativa × longitud de fibra
Pero la pérdida de fibra es sólo una parte de un sistema real.
Los conectores, las interfaces de acoplamiento, las tolerancias de los componentes, los efectos de la temperatura, el envejecimiento del transmisor y la reserva de diseño también pueden consumir margen.
Por tanto, una relación de enlace óptico simplificada es:
Balance de potencia disponible del transmisor al receptor − pérdidas de acoplamiento y conexión − pérdida de fibra − margen requerido = margen restante del enlace
En la práctica, la longitud máxima del enlace está determinada por el efecto combinado de la salida del transmisor, la sensibilidad del receptor, la atenuación de la fibra, las pérdidas de conexión, la variación de temperatura y el margen reservado para un funcionamiento confiable.
El receptor define cuánta potencia óptica es suficiente
En el otro extremo del cable, el receptor tiene un requisito mínimo de entrada óptica.
Si se pierde demasiada energía antes de que la señal llegue a ese punto, ya no se puede garantizar un funcionamiento confiable.
Esta es la razón por la que la longitud de onda afecta la distancia de transmisión incluso si la electrónica del transmisor y la geometría del cable permanecen sin cambios.
Un coeficiente de atenuación más alto significa más pérdida por metro. Si todas las demás partes del sistema permanecen iguales, el margen óptico disponible se agota en una distancia más corta.
¿Qué sucede cuando la longitud de onda POF se aleja de los 650 nm?
La respuesta depende de qué tan lejos se mueve la longitud de onda y dónde se mueve en el espectro de atenuación de la fibra.
650 nm frente a 660 nm: incluso un pequeño cambio puede afectar el margen del enlace
La guía de aplicación HFBR de Broadcom proporciona un ejemplo de ingeniería útil.
En el enlace POF al que se hace referencia, Broadcom informa que la atenuación de la fibra a 650 nm es aproximadamente0,05 dB/m menos que a 660 nm. Los sistemas POF anteriores también utilizaban emisores GaAsP de clase 660 nm, mientras que los dispositivos AlInGaP posteriores acercaron la región operativa a 650 nm.
Una diferencia de 0,05 dB/m puede parecer pequeña.
Sin embargo, en 50 m de fibra, esa diferencia corresponde a aproximadamente 2,5 dB de pérdida óptica.
Eso es suficiente para importar en un enlace que opera cerca de su límite de presupuesto de energía.
El ejemplo ilustra un principio importante: incluso dentro de la región roja, la selección de la longitud de onda puede influir en la distancia utilizable.
Avanzar hacia los 850 nm es un cambio mucho mayor
Pasar de 650 a 660 nm aún mantiene al emisor cerca de la región operativa roja convencional.
Pasar de 650 a 850 nm es un cambio fundamentalmente diferente.
Las características de atenuación del PMMA estándar son mucho menos favorables en gran parte de esta región del infrarrojo cercano. Por tanto, se pierde más potencia óptica en la fibra, dejando menos margen en el receptor.
La lección práctica es sencilla:
Reemplazar un transmisor POF de 650 nm con una fuente de 850 nm no preserva el presupuesto del enlace original simplemente porque ambas fuentes pueden lanzar luz a la fibra.
Debe considerarse el espectro de atenuación completo.
La temperatura también cambia el enlace óptico
Los equipos industriales no siempre funcionan a temperatura ambiente.
La temperatura puede cambiar el espectro del LED y cambiar su salida óptica. Debido a que la pérdida de la fibra en sí depende de la longitud de onda, estos cambios pueden afectar el margen del enlace disponible.
Por lo tanto, un enlace POF robusto tiene que funcionar no sólo en una condición de temperatura ambiente nominal sino en todo el rango de temperatura de funcionamiento requerido.
Ésta es otra razón por la que las especificaciones del transmisor y de la fibra deben evaluarse juntas.
Por qué los sistemas Broadcom/Avago HFBR se construyen alrededor de 650 nm
El ecosistema Broadcom/Avago HFBR proporciona un ejemplo práctico de cómo se establece una longitud de onda operativa a nivel del sistema.
El transmisor clase HFBR-1528Z de Broadcom utiliza un valor nominalLED de 650 nanómetrosy está diseñado para acoplarse en1mm POF. En la arquitectura de enlace HFBR correspondiente, esta combinación admite enlaces POF industriales de corta distancia definidos, incluidas configuraciones especificadas para distancias de hasta 50 m.
La misma arquitectura de 650 nm también aparece en familias HFBR más rápidas, como la HFBR-0507ETZ, que combina un transmisor de 650 nm con POF de 1 mm para enlaces de 125 Mbaud de corto alcance.
El ecosistema industrial HFBR POF de 650 nm
Lo importante no es el número de pieza individual.
Es la arquitectura.
El transmisor, el receptor, la geometría de la fibra, la familia de conectores, los niveles de potencia óptica y los circuitos de aplicación se diseñaron para funcionar juntos.
Una vez que se establece dicho ecosistema, la longitud de onda queda integrada en algo más que el propio LED. Influye:
-
construcción de transmisores;
-
respuesta espectral del receptor;
-
especificaciones de fibra;
-
diseño de conectores y acoplamientos;
-
circuitos de aplicación;
-
cálculos de presupuesto de enlaces;
-
datos de calificación;
-
equipo instalado;
-
compatibilidad de componentes de repuesto.
Por lo tanto, cambiar de 650 a 850 nm no sería una simple sustitución del LED. Sería necesario reconsiderar el enlace óptico completo.
Esta es una de las razones por las que los productos Broadcom/Avago HFBR y plataformas POF industriales similares se han mantenido estrechamente asociados con operaciones en rojo visible.
¿Toda fibra óptica de plástico necesita 650 nm?
No.
El términofibra óptica de plásticodescribe una categoría tecnológica amplia, no un material y una longitud de onda universales.
La discusión sobre los 650 nm se aplica principalmente al PMMA POF convencional ampliamente utilizado en enlaces de comunicaciones industriales y de consumo de corta distancia.
Otras composiciones poliméricas y estructuras de fibras pueden tener características de atenuación muy diferentes y pueden soportar regiones de longitud de onda mucho más allá de la ventana convencional de PMMA de 650 nm.
Este límite es importante.
Por tanto, sería incorrecto decir:
Todo POF debe utilizar 650 nm.
Una afirmación más precisa es:
Alrededor de 650 nm es la región operativa establecida para los sistemas POF de PMMA convencionales porque combina las características ópticas del PMMA con un ecosistema maduro de emisor rojo y receptor.
Conclusión de ingeniería: elija el enlace óptico, no solo la longitud de onda
El uso de luz roja de 650 nm en PMMA POF no es un accidente histórico ni una simple cuestión de elegir un color visible.
Proviene de una cadena de relaciones de ingeniería:
Material de fibra → espectro de atenuación → ventana de transmisión práctica → fuente óptica → receptor → presupuesto de energía → distancia de enlace permitida
PMMA proporciona ventanas de transmisión útiles en la región visible. Los emisores de semiconductores rojos pueden funcionar alrededor de la ventana de aproximadamente 650 nm con requisitos prácticos de potencia óptica, costo y unidad. Posteriormente se diseñaron familias de receptores y transmisores industriales en torno a esa combinación.
La fibra multimodo de sílice siguió otro camino, con VCSEL de 850 nm y fibra OM3/OM4 optimizada con láser.
Por eso la comparación correcta no es simplemente650 nm frente a 850 nm.
Es:
PMMA + optoelectrónica de 650 nm versus sílice MMF + optoelectrónica de 850 nm.
En el diseño de enlaces ópticos, la longitud de onda sólo tiene sentido cuando se considera el sistema completo.
Preguntas frecuentes
¿Por qué la fibra óptica de plástico utiliza 650 nm?
El PMMA POF convencional suele utilizar aproximadamente 650 nm porque esta región proporciona una útil ventana de fibra de baja pérdida que puede combinarse con prácticos transmisores de LED rojos y receptores compatibles. Por lo tanto, la longitud de onda es el resultado de una optimización completa del enlace y no una propiedad exclusiva de la fibra.
¿Es 650 nm la longitud de onda de menor pérdida para PMMA POF?
No necesariamente. El PMMA tiene más de una región de pérdida relativamente baja en el espectro visible. La importancia de 650 nm proviene de la combinación de una atenuación de fibra aceptable y componentes optoelectrónicos rojos maduros, no de que sea el único punto de atenuación universalmente más bajo.
¿Puede la fibra óptica de plástico PMMA transmitir luz de 850 nm?
Sí, la luz a 850 nm puede propagarse físicamente a través de PMMA POF. Sin embargo, el PMMA convencional generalmente tiene una atenuación mucho menos favorable en esa región que alrededor de sus útiles ventanas de transmisión visible. Por lo tanto, la pérdida óptica resultante puede reducir significativamente la distancia de transmisión utilizable.
¿Por qué la fibra de vidrio multimodo utiliza 850 nm en lugar de 650 nm?
La fibra multimodo de sílice tiene características de material diferentes a las del PMMA y se ha optimizado para una transmisión de alta velocidad de alrededor de 850 nm. Los sistemas modernos OM3 y OM4 combinan transmisores VCSEL de 850 nm con fibra multimodo de sílice optimizada con láser, formando un ecosistema óptico diferente al PMMA POF.
¿Por qué los transmisores Broadcom/Avago HFBR utilizan LED rojos de 650 nm?
Los sistemas Broadcom/Avago HFBR POF combinan transmisores rojos, receptores compatibles, POF de 1 mm, conectores y presupuestos de potencia óptica definidos como un enlace óptico integrado de corta distancia. Por lo tanto, el uso de aproximadamente 650 nm refleja la arquitectura más amplia del sistema PMMA POF en lugar de una opción de transmisor aislado.
¿Cambiar la longitud de onda POF cambia la distancia máxima de transmisión?
Sí. La atenuación de la fibra cambia con la longitud de onda. Si pasar a otra longitud de onda aumenta la atenuación, la fibra consume más potencia óptica por metro. A menos que la salida del transmisor, la sensibilidad del receptor u otra parte del sistema compense esa pérdida adicional, la distancia máxima de transmisión confiable disminuye.
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