Mengapa Serat Optik Plastik Menggunakan Cahaya Merah 650 nm, Bukan 850 nm?

Panjang gelombang seperti 650 nm dapat terlihat seperti garis sederhana dalam lembar data serat optik plastik. Namun, dalam praktiknya, ini mewakili keputusan rekayasa yang jauh lebih besar.

Konvensional Serat optik plastik PMMA (POF) umumnya beroperasi dengan cahaya merah tampak di sekitar 650 nm karena serat, sumber optik, paket pemancar, penerima, dan anggaran daya optik yang tersedia bekerja secara efektif bersama di wilayah tersebut. Panjang gelombang tidak dipilih oleh serat saja, atau hanya karena cahaya merah terlihat.

Ini juga menjelaskan mengapa POF PMMA standar biasanya tidak menggunakan 850 nm, meskipun 850 nm banyak digunakan dalam sistem serat multimode silika. Kedua teknologi serat didasarkan pada bahan yang berbeda, spektrum redaman yang berbeda, dan ekosistem optoelektronik yang berbeda.

Pertanyaan yang berguna, oleh karena itu, bukanlah sekadar “Mengapa 650 nm?” Ini adalah:

Mengapa tautan POF PMMA berfungsi baik sebagai sistem optik lengkap di sekitar 650 nm?

Serat optik plastik PMMA standar umumnya beroperasi di sekitar 650 nm karena panjang gelombang ini berada dalam jendela transmisi redaman rendah yang berguna dari PMMA dan dapat dicocokkan dengan pemancar LED merah praktis dan penerima yang kompatibel. Hasilnya adalah tautan optik jarak pendek yang ekonomis dan kuat daripada panjang gelombang yang dipilih hanya oleh serat.

Beberapa faktor harus selaras pada saat yang sama:

• serat harus memiliki redaman yang dapat diterima pada panjang gelombang operasi;

• pemancar yang sesuai harus menghasilkan daya optik yang cukup di wilayah tersebut;

• cahaya itu harus digabungkan secara efisien ke dalam inti POF yang besar;

• penerima harus memiliki sensitivitas yang memadai terhadap spektrum yang ditransmisikan;

• tautan lengkap harus mempertahankan margin optik yang cukup atas jarak dan rentang suhu yang diperlukan.

Inilah sebabnya mengapa 650 nm harus dipahami sebagai wilayah operasi sistem, bukan sekadar properti material.

Jika redaman serat adalah satu-satunya pertimbangan, para insinyur dapat dengan mudah mengidentifikasi titik terendah pada kurva redaman dan menempatkan pemancar di sana.

Tautan optik nyata lebih rumit.

Panjang gelombang serat yang sangat rendah kerugiannya memiliki sedikit nilai praktis jika pemancar yang efisien, andal, dan ekonomis sulit diperoleh di sana. Demikian pula, LED yang sangat baik tidak berguna jika serat sangat menyerap keluarannya.

Tautan yang berhasil membutuhkan tumpang tindih antara karakteristik spektral serat dan komponen optoelektronik.

Untuk POF PMMA konvensional, wilayah merah di sekitar 650 nm menjadi salah satu wilayah operasi di mana persyaratan tersebut dapat dipenuhi bersama-sama.

Redaman serat tidak konstan dengan panjang gelombang.

Ketika daya optik bergerak melalui serat, sebagian dari daya itu hilang melalui penyerapan, hamburan, ketidaksempurnaan, dan mekanisme lainnya. Kontribusi relatif dari mekanisme tersebut berubah dengan panjang gelombang.

Oleh karena itu, PMMA tidak memiliki satu nilai kerugian seragam yang berlaku untuk semua warna cahaya.

Redaman Optik PMMA Berubah dengan Panjang Gelombang

PMMA adalah polimer organik yang struktur molekulnya mengandung ikatan karbon-hidrogen. Getaran molekuler yang terkait dengan ikatan ini berkontribusi pada pita penyerapan dan harmonik di seluruh spektrum optik.

Akibatnya, spektrum redaman berisi wilayah kerugian yang relatif tinggi dan relatif rendah alih-alih garis horizontal yang mulus.

POF PMMA konvensional memiliki beberapa wilayah redaman rendah yang relatif di seluruh spektrum tampak, termasuk jendela transmisi merah penting di sekitar 650 nm.

Bagi para insinyur komunikasi, konsekuensi pentingnya sederhana:

mengubah panjang gelombang mengubah seberapa cepat serat mengonsumsi daya optik.

Wilayah merah di sekitar 650 nm memberikan redaman yang cukup rendah untuk jarak pendek di mana POF PMMA standar 1 mm umum digunakan.

Redaman POF PMMA di dekat wilayah ini biasanya dibahas per meter daripada tingkat kerugian per kilometer yang sangat rendah yang terkait dengan serat silika jarak jauh.

Itu tidak menjadikan PMMA pengganti serat kaca jarak jauh yang rendah kerugiannya. Ini mencerminkan tujuan rekayasa yang berbeda.

Tautan POF PMMA industri umumnya pendek. Dalam jarak tersebut, 650 nm memberikan kombinasi yang dapat dikerjakan dari kerugian serat, ketersediaan sumber optik, toleransi kopling, dan kinerja penerima.

Belum tentu.

Perbedaan ini penting karena PMMA memiliki lebih dari satu wilayah redaman rendah yang relatif di spektrum tampak. Panjang gelombang tampak lainnya juga dapat memberikan redaman yang menguntungkan tergantung pada komposisi serat dan kondisi pengukuran.

Oleh karena itu, mengatakan bahwa POF menggunakan 650 nm hanya karena “650 nm adalah panjang gelombang redaman terendah PMMA” terlalu menyederhanakan.

Penjelasan yang lebih berguna adalah bahwa 650 nm menawarkan kombinasi tingkat sistem yang menguntungkan dari transmisi PMMA dan optoelektronik merah yang matang.

Kombinasi itu lebih penting daripada mengidentifikasi titik terendah pada kurva redaman serat secara terisolasi.

Setelah spektrum serat dipertimbangkan, bagian selanjutnya dari sistem adalah sumber optik.

Banyak pemancar POF industri menggunakan LED merah yang emisinya berpusat di dekat jendela transmisi merah PMMA. Ini memungkinkan sumber optik dan serat beroperasi sebagai pasangan yang cocok.

LED tidak memancarkan semua daya optiknya pada satu panjang gelombang yang tepat secara matematis.

Ia memiliki distribusi spektral di sekitar panjang gelombang pusat. Distribusi itu penting karena setiap bagian dari spektrum yang dipancarkan bergerak melalui serat yang redamannya juga bervariasi dengan panjang gelombang.

Mencocokkan LED Merah 650 nm dengan Jendela Transmisi PMMA

Oleh karena itu, pemancar POF harus dievaluasi lebih dari sekadar label seperti “650 nm.”

Parameter yang relevan meliputi:

• panjang gelombang pusat;

• lebar spektral;

• daya keluaran optik yang digabungkan;

• efisiensi kopling ke dalam serat;

• pergeseran panjang gelombang dengan suhu;

• variasi daya keluaran dengan suhu dan penuaan.

Jika spektrum pemancar bergerak ke arah bagian redaman yang lebih tinggi dari kurva redaman PMMA, serat akan mengonsumsi lebih banyak margin optik yang tersedia.

Oleh karena itu, LED dan serat adalah komponen yang digabungkan secara spektral dari tautan yang sama.

Untuk tautan PMMA jarak pendek konvensional, LED menawarkan kombinasi praktis keluaran optik, elektronik penggerak sederhana, ketahanan mekanis, dan biaya.

Inti besar POF standar juga memungkinkan kopling yang efisien tanpa toleransi penyelarasan yang sangat ketat yang terkait dengan banyak sistem optik inti kecil.

Ini tidak berarti LED secara universal lebih unggul dari laser. Ini berarti bahwa untuk banyak tautan POF industri konvensional, LED merah memberikan tingkat kinerja yang dibutuhkan tanpa menambah kompleksitas optik yang tidak perlu.

Di sinilah perbandingan antara POF dan serat kaca seringkali menyesatkan.

Seorang insinyur yang akrab dengan optik pusat data mungkin melihat 850 nm digunakan di seluruh sistem serat multimode dan secara wajar bertanya mengapa panjang gelombang yang sama tidak digunakan untuk POF.

Jawabannya adalah bahwa 850 nm termasuk dalam kombinasi serat dan pemancar yang berbeda.

PMMA dan silika adalah bahan kimia yang berbeda. Mekanisme penyerapan dan jendela panjang gelombang yang berguna mereka oleh karena itu berbeda.

Panjang gelombang yang bekerja sangat baik dalam silika tidak secara otomatis menjadi panjang gelombang operasi yang baik dalam PMMA.

Untuk PMMA konvensional, redaman meningkat secara substansial ketika panjang gelombang operasi menjauh dari jendela transmisi tampak yang berguna ke sebagian besar wilayah inframerah dekat. Kerugian serat tambahan itu mengonsumsi anggaran daya optik yang tersedia lebih cepat.

Sumber 850 nm masih dapat menyuntikkan cahaya ke dalam PMMA. Masalahnya bukan apakah cahaya secara fisik masuk ke serat.

Masalahnya adalah apakah kerugian tautan yang dihasilkan dapat diterima untuk jarak dan sensitivitas penerima yang dimaksud.

Serat multimode silika mengikuti jalur rekayasa yang berbeda.

Serat multimode OM3 dan OM4 modern secara khusus dioptimalkan untuk transmisi laser di sekitar 850 nm dan umumnya dipasangkan dengan pemancar VCSEL 850 nm.

Oleh karena itu, sistem yang lebih luas dibangun di sekitar kombinasi yang berbeda:

serat multimode silika + VCSEL 850 nm + penerima berkecepatan tinggi + antarmuka transceiver standar

POF industri konvensional berevolusi di sekitar kombinasi lain:

serat POF PMMA 650 nm vs serat multimode silika 850 nm

serat PMMA + pemancar merah sekitar 650 nm + pemancar/penerima POF + antarmuka optik inti besar

Oleh karena itu, perbedaannya bukan:

650 nm = teknologi lama
850 nm = teknologi lebih canggih

Perbedaan sebenarnya adalah bahwa setiap bahan serat telah dioptimalkan bersama dengan ekosistem pemancar dan penerimanya sendiri.

Tidak ada panjang gelombang yang secara inheren lebih baik.

Masing-masing masuk akal dalam sistem optik yang dikembangkan.

Cara termudah untuk memahami POF industri adalah dengan berhenti memperlakukan panjang gelombang sebagai spesifikasi mandiri.

Tautan yang berfungsi dapat direpresentasikan sebagai:

Serat + LED + Pemancar + Penerima: Tautan POF Lengkap

Sinyal listrik → pemancar → LED → POF → penerima → sinyal listrik

Setiap tahap memengaruhi apakah daya optik yang cukup mencapai penerima dengan margin yang cukup.

Pemancar menentukan daya optik yang diluncurkan ke dalam serat dan spektrum di mana daya itu didistribusikan.

Perilaku sebenarnya juga berubah dengan kondisi operasi.

Panjang gelombang pusat LED merah tidak sepenuhnya tetap. Ia bergeser dengan suhu operasi, sementara daya keluaran optiknya juga dapat bervariasi di seluruh rentang suhu yang ditentukan.

Ini berarti pemancar berlabel “650 nm” tidak boleh diperlakukan sebagai sumber monokromatik yang sempurna yang beroperasi pada tepat 650 nm dalam setiap kondisi.

Masalah praktisnya adalah apakah spektrum pemancar terus tumpang tindih secara menguntungkan dengan jendela transmisi PMMA di seluruh rentang operasi yang diperlukan.

Redaman serat dapat diperkirakan sebagai:

Kerugian serat = redaman pada panjang gelombang operasi × panjang serat

Tetapi kerugian serat hanyalah salah satu bagian dari sistem nyata.

Konektor, antarmuka kopling, toleransi komponen, efek suhu, penuaan pemancar, dan cadangan desain juga dapat mengonsumsi margin.

Oleh karena itu, hubungan tautan optik yang disederhanakan adalah:

Anggaran daya pemancar-ke-penerima yang tersedia − kerugian kopling dan koneksi − kerugian serat − margin yang diperlukan = margin tautan yang tersisa

Dalam praktiknya, panjang tautan maksimum ditentukan oleh gabungan efek keluaran pemancar, sensitivitas penerima, redaman serat, kerugian koneksi, variasi suhu, dan margin yang dicadangkan untuk operasi yang andal.

Di ujung lain kabel, penerima memiliki persyaratan masukan optik minimum.

Jika terlalu banyak daya hilang sebelum sinyal mencapai titik itu, operasi yang andal tidak dapat lagi dijamin.

Inilah sebabnya mengapa panjang gelombang memengaruhi jarak transmisi bahkan jika elektronik pemancar dan geometri kabel tetap sama.

Koefisien redaman yang lebih tinggi berarti lebih banyak kerugian per meter. Jika semua bagian lain dari sistem tetap sama, margin optik yang tersedia habis dalam jarak yang lebih pendek.

Jawabannya tergantung pada seberapa jauh panjang gelombang bergeser dan di mana ia bergeser pada spektrum redaman serat.

Panduan aplikasi HFBR Broadcom memberikan contoh rekayasa yang berguna.

Dalam tautan POF yang dirujuk, Broadcom melaporkan bahwa redaman serat pada 650 nm adalah sekitar 0,05 dB/m lebih rendah daripada pada 660 nm. Sistem POF sebelumnya juga menggunakan pemancar GaAsP kelas 660 nm, sementara perangkat AlInGaP yang lebih baru menggeser wilayah operasi lebih dekat ke 650 nm.

Perbedaan 0,05 dB/m mungkin terlihat kecil.

Namun, di sepanjang serat 50 m, perbedaan itu sesuai dengan sekitar 2,5 dB kerugian optik.

Itu cukup untuk diperhitungkan dalam tautan yang beroperasi mendekati batas anggaran dayanya.

Contoh ini mengilustrasikan prinsip penting: bahkan dalam wilayah merah, pemilihan panjang gelombang dapat memengaruhi jarak yang dapat digunakan.

Bergerak dari 650 ke 660 nm masih membuat pemancar dekat dengan wilayah operasi merah konvensional.

Bergerak dari 650 ke 850 nm adalah perubahan yang secara fundamental berbeda.

Karakteristik redaman PMMA standar jauh kurang menguntungkan di sebagian besar wilayah inframerah dekat ini. Oleh karena itu, lebih banyak daya optik hilang dalam serat, menyisakan lebih sedikit margin di penerima.

Pelajaran praktisnya lugas:

mengganti pemancar POF 650 nm dengan sumber 850 nm tidak mempertahankan anggaran tautan asli hanya karena kedua sumber dapat meluncurkan cahaya ke dalam serat.

Spektrum redaman lengkap harus dipertimbangkan.

Peralatan industri tidak selalu beroperasi pada suhu kamar.

Suhu dapat menggeser spektrum LED dan mengubah keluaran optiknya. Karena kerugian serat itu sendiri bergantung pada panjang gelombang, perubahan ini dapat memengaruhi margin tautan yang tersedia.

Oleh karena itu, tautan POF yang kuat harus berfungsi tidak hanya pada kondisi suhu kamar nominal tetapi di seluruh rentang suhu operasi yang diperlukan.

Ini adalah alasan lain mengapa spesifikasi pemancar dan serat harus dievaluasi bersama.

Ekosistem HFBR Broadcom/Avago memberikan contoh praktis tentang bagaimana panjang gelombang operasi ditetapkan pada tingkat sistem.

Pemancar kelas HFBR-1528Z Broadcom menggunakan nominal LED 650 nm dan dirancang untuk kopling ke POF 1 mm. Dalam arsitektur tautan HFBR yang sesuai, kombinasi ini mendukung tautan POF industri jarak pendek yang ditentukan, termasuk konfigurasi yang ditentukan untuk jarak hingga 50 m.

Arsitektur 650 nm yang sama juga muncul dalam keluarga HFBR yang lebih cepat seperti HFBR-0507ETZ, yang menggabungkan pemancar 650 nm dengan POF 1 mm untuk tautan 125-Mbaud jarak pendek.

Ekosistem POF Industri HFBR 650 nm

Poin pentingnya bukanlah nomor suku cadang individu.

Ini adalah arsitektur.

Pemancar, penerima, geometri serat, keluarga konektor, tingkat daya optik, dan sirkuit aplikasi dirancang untuk bekerja bersama.

Setelah ekosistem seperti itu ditetapkan, panjang gelombang tertanam dalam lebih dari sekadar LED itu sendiri. Ia memengaruhi:

• konstruksi pemancar;

• respons spektral penerima;

• spesifikasi serat;

• desain konektor dan kopling;

• sirkuit aplikasi;

• perhitungan anggaran tautan;

• data kualifikasi;

• peralatan terpasang;

• kompatibilitas komponen pengganti.

Oleh karena itu, beralih dari 650 ke 850 nm tidak akan menjadi substitusi LED sederhana. Ini akan membutuhkan pertimbangan ulang tautan optik lengkap.

Ini adalah salah satu alasan mengapa produk HFBR Broadcom/Avago dan platform POF industri serupa tetap terkait erat dengan operasi merah tampak.

Tidak.

Istilah serat optik plastik menggambarkan kategori teknologi yang luas, bukan satu bahan dan panjang gelombang universal.

Diskusi 650 nm terutama berlaku untuk POF PMMA konvensional yang banyak digunakan dalam tautan komunikasi industri dan konsumen jarak pendek.

Komposisi polimer lain dan struktur serat dapat memiliki karakteristik redaman yang sangat berbeda dan dapat mendukung wilayah panjang gelombang jauh di luar jendela 650 nm PMMA konvensional.

Batas ini penting.

Oleh karena itu, tidak benar untuk mengatakan:

Semua POF harus menggunakan 650 nm.

Pernyataan yang lebih akurat adalah:

Sekitar 650 nm adalah wilayah operasi yang ditetapkan untuk sistem POF PMMA konvensional karena cocok dengan karakteristik optik PMMA dengan ekosistem pemancar dan penerima merah yang matang.

Penggunaan cahaya merah 650 nm pada POF PMMA bukanlah kecelakaan sejarah dan bukan sekadar masalah memilih warna yang terlihat.

Ini berasal dari serangkaian hubungan rekayasa:

Bahan serat → spektrum redaman → jendela transmisi praktis → sumber optik → penerima → anggaran daya → jarak tautan yang diizinkan

PMMA menyediakan jendela transmisi yang berguna di wilayah tampak. Pemancar semikonduktor merah dapat beroperasi di sekitar jendela sekitar 650 nm dengan daya optik, biaya, dan persyaratan penggerak yang praktis. Penerima dan keluarga pemancar industri kemudian dirancang di sekitar kombinasi itu.

Serat multimode silika mengikuti jalur lain, dengan VCSEL 850 nm dan serat OM3/OM4 yang dioptimalkan laser.

Itulah sebabnya perbandingan yang benar bukanlah sekadar 650 nm versus 850 nm.

Ini adalah:

PMMA + optoelektronik 650 nm versus silika MMF + optoelektronik 850 nm.

Dalam desain tautan optik, panjang gelombang hanya masuk akal ketika sistem lengkap dipertimbangkan.

POF PMMA konvensional umumnya menggunakan sekitar 650 nm karena wilayah ini menyediakan jendela serat redaman rendah yang berguna yang dapat dicocokkan dengan pemancar LED merah praktis dan penerima yang kompatibel. Oleh karena itu, panjang gelombang adalah hasil dari optimasi tautan lengkap daripada properti serat saja.

Belum tentu. PMMA memiliki lebih dari satu wilayah redaman rendah yang relatif di spektrum tampak. Pentingnya 650 nm berasal dari kombinasi redaman serat yang dapat diterima dan komponen optoelektronik merah yang matang, bukan karena ia adalah satu-satunya atau titik redaman terendah secara universal.

Ya, cahaya pada 850 nm secara fisik dapat merambat melalui POF PMMA. Namun, PMMA konvensional umumnya memiliki redaman yang jauh kurang menguntungkan di wilayah tersebut daripada di sekitar jendela transmisi tampak yang berguna. Akibatnya, kerugian optik yang dihasilkan dapat mengurangi jarak transmisi yang dapat digunakan secara signifikan.

Serat multimode silika memiliki karakteristik material yang berbeda dari PMMA dan telah dioptimalkan untuk transmisi berkecepatan tinggi di sekitar 850 nm. Sistem OM3 dan OM4 modern menggabungkan pemancar VCSEL 850 nm dengan serat multimode silika yang dioptimalkan laser, membentuk ekosistem optik yang berbeda dari POF PMMA.

Sistem POF HFBR Broadcom/Avago menggabungkan pemancar merah, penerima yang kompatibel, POF 1 mm, konektor, dan anggaran daya optik yang ditentukan sebagai tautan optik jarak pendek yang terintegrasi. Oleh karena itu, penggunaan sekitar 650 nm mencerminkan arsitektur sistem POF PMMA yang lebih luas daripada pilihan pemancar yang terisolasi.

Ya. Redaman serat berubah dengan panjang gelombang. Jika beralih ke panjang gelombang lain meningkatkan redaman, serat akan mengonsumsi lebih banyak daya optik per meter. Kecuali keluaran pemancar, sensitivitas penerima, atau bagian lain dari sistem mengkompensasi kerugian tambahan itu, jarak transmisi yang andal maksimum berkurang.