Полимерные (пластиковые) оптические волокна – POF. Несмотря на

Полимерные (пластиковые) оптические волокна – POF.
Несмотря на свою перспективность, в Украине технология POF распространена пока относительно
мало. Если говорить более детально, то свое применение POF находит:

для декоративного, архитектурного и ландшафтного освещения;

для подсветки бассейнов;

для подсветки в автомобилях и электронных приборах,

для безопасного освещения взрывоопасных помещений;

для изготовления датчиков, систем визуальной индикации, информационных панелей,
бытовой, промышленной и медицинской электроники;

для передачи данных и организации локальных вычислительных сетей;

для передачи без потери качества видеосигналов от видеокамер, оптических датчиков,
телевизоров и DVD плееров
При этом технические характеристики пластиковой оптики очень привлекательны. В результате
все это может привести к тому, что вскоре пассивные и активные компоненты POF будут лежать в
компьютерных магазинах. Диаметр центральной светопроводящего волокна у POF больше, чем у
кварцевого волокна, поэтому коннекторы для POF не требуют точной центровки (допуск составляет около
100 микрон) и соединяются буквально одним движением руки – ярким примером данного решения может
служить адаптер OptoLock, предназначенный для соединения полимерных оптических волокон,
разработанный компанией «OPTOKON a.s.».
SMA connector
ST connector
HFBR
Рис. 1. Адаптер OptoLock и различные виды коннектеров
И это является, пожалуй, самым большим преимуществом этих волокон – простая и легкая установка.
У полимерных (или пластиковых) волокон есть несколько ключевых отличий от кварцевого
волокна. Эти отличия накладываются и на размеры, и на область применения полимерных оптических
волокон. Как и в кварцевом волокне, передача информации осуществляется по принципу полного
внутреннего отражения, которое достигается за счет защитного покрытия. Защитное покрытие
накладывается на оптическое волокно (сердцевину). В месте соприкосновения светопроводящей
сердцевины и защитного покрытия световой поток полностью отражается и распространяется по волноводу.
Сам сердечник в POF изготовлен из полиметилметакрилата (PMMA) а оболочка выполнена из
фторированных PMMA (фторполимеров). Коэффициент преломления сердечника n=1.49, оболочки n=1.49, а
числовая аппертура NA=0.47.
Однако проблема, с которой сталкиваются все производители POF, заключается в высоком
значении затухании. Первоначально затухание в POF волокне было порядка сотен дБ/км, в последние годы
оно значительно уменьшается. Как пример можно привести кабели POF СК-40 и SH4001, производства
чешской компании «OPTOKON a.s.», у которых такой параметр как затухание имеет следующие значения
составляет 200 дБ/км и 190 дБ/км, соответственно, на длине волны 650 нм. Для кварцевого же волокна
максимальное затухание составляет 0.35 дБ/км. Такие параметры затухания существенно ограничивают
дальность передачи сигналов и сферу применения полимерных волокон. Естественно, что производители
полимерных волокон проводят массу исследований в этой области. Возможно, даже, значения затухания
удастся снизить и свести до десятков дБ. Но говорить о каком-либо значительном прорыве в этой области
пока достаточно рано. Хотя все может быть…
Такие параметры затухания в полимерных волокнах являются приемлемыми для использования
или построения сетей типа «волокно в дом». Именно такое применения в телекоммуникациях в Европе и в
США находит пластиковое волокно. В тоже время, POF массово применяется в машиностроении и
энергетике, аэрокосмических технологиях и военно-промышленном комплексе. Такое массовое применение
POF в этих областях объясняется тем, что был достигнут определенный успех в отношении повышения
термического сопротивления оптических волокон POF. Полимерное (пластиковое) оптическое волокно POF
сегодня может выдерживать температуры от 200 до 300°C.
Как и кварцевое волокно, POF обладает рядом преимуществ.
Преимущества POF волоконно-оптических кабелей по сравнению с традиционными
кабелями связи с медными жилами:
• отсутствие влияния электромагнитных полей;
• легкость выполнения работ по прокладке и сращиванию POF;
• отсутствие перекрестных и взаимных помех, что повышает качество передачи данных;
• небольшие размеры и минимальный вес (до 2,2 мм – наружный диаметр и вес 4 г/м для
симплексного полимерного оптического волокна);
• достаточно большой срок службы.
В настоящее время производятся POF волокна диаметром 50, 62,5, 120 и 980 мкм и оболочкой
диаметром 490 и 1000 мкм. С помощью полимерного (пластикового) оптического волокна можно передать
Ethernet 10/100 Вase-Т на расстоянии около 100 м, на длинах волн 650, 850 и 1300 нм.
Однако основное применение POF находит на длинах волн в 650 нм.
Рис. 3. Окно прозрачности для POF.
POF-кабели предназначены в основном для работы в видимой области спектра. За пределами
видимой области в ультрафиолетовой и ближней инфракрасной зонах светопропускание используемых
полимеров падает и эффективность их применения значительно снижается. Оптические потери POF состоят
из собственного поглощения, которое зависит от структуры и качества материала и целого ряда
дополнительных факторов, вызванных различными оптическими примесями, присутствующими в
материале, используемом для изготовления полимерного волокна. Кроме того, несобственные потери
вызывают неровности в месте соприкосновения сердцевины и оболочки, а также двойное лучепреломление
материала.
Стандарты, которые описывают полимерное (пластиковое) оптическое POF волокно – это IEEE
1394, ATM Forum и некоторые другие.
Пластиковые волокна уже давно широко используются для передачи информации при построении
систем автоматизации технологических процессов. В производстве, где присутствуют установки,
выделяющие электромагнитные помехи, передача информации по медному кабелю может быть
нестабильной из-за большого электромагнитного фона. Электромагнитные помехи могут вызвать ошибки
или даже полную потерю данных. Что в свою очередь приводит к сбоям в производственных процессах и.
как следствие, возникающим из-за этого издержкам (как обычно – связь не замечают пока она есть).
Как пример можно привести использование POF на производстве в компании «Картол» (г.
Донецк). POF на данном предприятии используется в системе управления оборудования при производстве
картонных упаковок. Если чуть более детально, то территориально распределенные блоки конвейерной
линии соединены между собой и с управляющим компьютером с помощью оптического полимерного
кабеля. Сеть, в которую увязаны все блоки производственной линии, построена по принципу
однонаправленного плоского кольца. Общая протяженность POF, соединяющего оборудование по
производству картонной тары составляет порядка 500 м, а длина каждого сегмента, соединенного кабелем
POF составляет около 100 м. Сигналы, передающиеся по POF-кабелю, позволяют контролировать и
регулировать скорости работы транспортеров, положение укладчика, положение стола при наполнении и
многие другие параметры.
Рис. 4. Структурная схема оборудования Simatic-5 c POF, работающего на производстве в
компании «Картол».
Оптическое волокно, в данном случае POF, является нечувствительным к электромагнитным
помехам и, в свою очередь не создает их. Именно это послужило одной из причин использования POF в
оборудовании Simatic-5 вместо коаксиального кабеля.
Также на основе POF изготовляют гибкие изолирующие вставки, которые применяются на
электрических подстанциях для обеспечения безопасности персонала, обслуживающего системы
управления мощными выключателями.
Есть и другие свойства, выгодно отличающие полимерные волокна от кварцевых. Полимерные
волокна упруги и способны выдерживать значительно большие деформации при растяжения, чем кварцевые
волокна. Полимерные волокна обладают большей механической прочностью, что позволяет выдерживать
им многократные изгибы. В отличие от кварцевого волокна, полимерная масса не тускнеет под
воздействием гамма-излучения (именно это, а также масса других «выдающихся» свойств позволяют
использовать POF в атомной энергетике, горнодобывающей и химической промышленности, а также
военно-промышленном комплексе). Если в передаче данных по кварцевым волокнам задействованы длины
волн от 850 нм до 1625 нм (т.е. инфракрасный диапазон), то в полимерных волокнах передача ведется в
видимом диапазоне – поскольку, как упоминалось выше, доступные окна прозрачности у полимеров
приходятся именно на эту область.
Кварцевые волокна давно и прочно захватили область передачи данных, причем как в
структурированных кабельных сетях (СКС), так и в магистралях линиях связи. Однако полимерное волокно
постепенно отвоевывает себе «место под солнцем».
Полимерное оптическое волокно является очень перспективным материалом для построения
волоконно-оптических домашних сетей. В первую очередь, это достигается благодаря низкой стоимости
самого POF-кабеля, активных компонентов и незначительным затратам на инсталляцию. Конечно же, если
сравнивать с кварцевым волокном.
Примеры построения локальных сетей (LAN) на базе полимерного волокна (POF). Для
организации связи между рабочими станциями рекомендуется использовать многопортовый сетевой
коммутатор с абонентскими портами под полимерное пластиковое волокно и аплинком под установку
сменного оптического модуля SFP. Сетевой коммутатор оборудован разъемами OPTOLOCK, что позволяет
использовать оптический кабель без предварительного оконечивания его специальными оптическими
коннекторами. Это существенно влияет на скорость развертывания сети.
В данном случаи нет
необходимости хранения складских запасов заранее подготовленных оптических патчкордов разной длины,
что также существенно снижает начальные инвестиции в материалы.
Для подключения абонентского рабочего места используются оптические медиаконвертеры с
внешним блоком питания или сетевые платы для установки непосредственно в персональный компьютер.
Для подключения мобильного рабочего места может использоваться медиаконвертер подключаемый к USB
порту.
Для работы с оптическим кабелем рекомендуется использовать специальный нож – скалыватель
для полимерного (пластикового волокна), который позволяет сделать ровный скол, что минимизирует
потери оптического сигнала в местах соединения оптического волокна. Каждая оптическая линия после
выполнения монтажа должна быть тестирована на соответствие техническим требованиям и нормам. Для
этого рекомендуется использовать специализированные оптические тестеры для измерений параметров
линии из полимерного волокна.
Для соединения нескольких сетевых коммутаторов между собой, увеличения емкости
корпоративной сети, подключения сетевого коммутатора к вышестоящей сети используются традиционные
методы подключения на базе кварцевого оптического волокна. Абонентские сетевые коммутаторы
оборудованы слотами для установки сменного оптического модуля SFP, что позволяет подключить данное
устройство к любому другому оборудованию с помощью оптического патч корда.
Рис. 5. Пример построения сети с использованием активного и пассивного оборудования
работающего по POF.
В то же время есть сферы, где полимерные волокна востребованы и широко применяются уже
долгие годы. На данный момент их используют в системах освещения, в рекламных инсталляциях,
информационных табло и экранах, в авиационной и автомобильной промышленности, в станкостроении, в
тестирующем и измерительном оборудовании, и даже в производстве бытовой техники (например, в
различных типах датчиков или для выведения световых сигналов на приборные панели).
Полимерные волокна доказали свою полезность в медицине – огромное количество медицинской
диагностической аппаратуры использует именно их. Как пример можно привести использование
полимерных оптических волокон в различных зондах, используемых гастроэнтерологами, проктологами и
пр.
В последнее время широкое применение POF-волокна нашли у ландшафтных архитекторов,
дизайнеров и декораторов. Существуют решения, в которых полимерные волокна, собраны в пучки и
используются для передачи света от источника. Именно по такому принципу построено дизайнерское
решение по оформлению помещений, получившее название «звездное небо».
Также POF нашел широкое применение у военных.
Давно и широко, военные многих стран, в том числе и стран, входящих в блок НАТО, используют
POF для своих нужд. Это обусловлено рядом факторов. Часть из них мы упоминали в статье.
Примером использования POF могут служить системы оперативного отслеживания боевой
обстановки, наблюдения за состоянием и действиями военнослужащих, оценки ситуаций и т.д. Системы на
основе POF интегрированы в униформу, экипировку или другое снаряжение солдат. Ярким примером этого
может служить комплект IST- RTG-095.
Рис. 6. Комплект IST- RTG-095 (вид снаружи и изнутри).
Естественно, полимерные оптические кабели широко используются для обеспечения связью (в
нынешних условиях, скорее построение сети передачи данных и сети телефонной связи) в полевых
условиях.
Рис. 7. Пример построения сети с использованием активного и пассивного оборудования POF.
Естественно, с учетом сферы применения, все оборудование имеет повышенные коэффициенты по
защищенность, пыле и влаго-непроницаемость, противоударность и т.д.
Конечно же, если есть оптический полимерный кабель, значит его необходимо чем-то измерять.
Соответственно компанией «OPTOKON a.s.» был разработан и выпущен комплект приборов, позволяющий
проводить необходимый комплекс измерений на POF-волокнах.
Рис. 8. Измерительное оборудование для POF
Прибор оснащен комплектов разъемов под использование стандартных оптических POFконнекторов, а также разъемом OptoLock.
Что же выбрать при строительстве сети? Кварцевое или полимерное волокно? При выборе
оптического оборудования необходим тщательный анализ, сопровождаемый сравнением параметров не
только отдельных компонент (базовых блоков, передатчиков, приемников, блоков питания и т. п.), но и
конфигурации систем в целом. Только это позволит сделать правильный и экономически взвешенный
выбор.
Отдельное спасибо хотим сказать Алексей Лысенко, системному администратору ООО "Картол"
за помощь в работе над статьей и предоставленные материалы.