プラスチック 光ファイバー は どの 程度 に 伝達 でき ます か

プラスチック光ファイバーはどのくらいの距離を伝送できますか？という質問は単純に聞こえますが、すべてのPOFリンクに適用される単一の距離はありません。

プラスチック光ファイバーケーブルには、通常デシベル/メートルで表される減衰仕様があります。その値は重要ですが、距離計算の一部にすぎません。リンクの実際の到達距離は、送信機がどれだけの光パワーを送信するか、受信機がどれだけの光パワーを確実に検出できるか、ファイバーと接続でどれだけのパワーが失われるか、そして実際の動作条件のためにどれだけのマージンを残す必要があるかによって決まります。

これが、同じ1mm POFが、あるシステムでは20メートルで機能し、別のシステムでは10メートルしか機能しない理由です。ファイバーは変わっていません。変更されたのは、光パワーバジェットです。

これを理解するには、1mWを基準とした絶対光パワー、相対パワー差、ゲイン、または損失、および光パワーバジェットより強力な送信機は、他のすべての条件が同等であると仮定すると、リンクに多くの光パワーを初期点に提供します。

プラスチック光ファイバーの最大伝送距離を決定するもの

プラスチック光ファイバーの最大伝送距離とは、受信光パワーと信号品質を送信機/受信機システムの指定された制限内に維持する最も長いリンク長のことです。これは、光パワーバジェット、ファイバー減衰、接続および曲げ損失、温度、設計マージン、そしてシステムによってはデータレートと帯域幅の制限に依存します。

距離は完全な光リンクの特性です

POFデータリンクは、次の3つの主要な要素に簡略化できます。

送信機 → プラスチック光ファイバー → 受信機

送信機-POF-受信機光パワーバジェット送信機は光信号を生成します。ファイバーがそれを伝送します。受信機は、データを正しく復元するために、依然として十分な使用可能な光パワーを受信する必要があります。

したがって、送信機はシステムに初期の光パワーレベルを提供しますが、光経路のすべての部分は、ある程度そのパワーを低下させます。

基本的な関係は次のとおりです。

受信光パワー = 送信光パワー - 総光損失

受信光パワーが受信機の必要感度を下回ると、リンクは正しく動作することを保証できなくなります。

つまり、質問は単に次のようにはなりません。

このPOFは1メートルあたりどれだけの損失がありますか？

より有用なエンジニアリングの質問は次のとおりです。

この特定の送信機-ファイバー-受信機システムは、総光損失をどれだけ許容できますか？

その値がわかって初めて、ファイバー減衰は距離の推定に役立ちます。

光パワーだけが距離の限界ではありません

多くの短い産業用POFリンクでは、光パワーバジェットは伝送距離を理解するための最も実用的な方法の1つです。ただし、十分な受信パワーがあれば、任意のリンク長とデータレートが機能することを自動的に保証するわけではありません。

データレートが増加するにつれて、パルス形状、システム帯域幅、分散、送信機タイミング、および受信機の動作が信号の整合性に影響を与える可能性があります。したがって、単純な光パワー計算がまだ許容範囲内であるように見えても、リンクは信号品質の限界に達する可能性があります。

このため、光パワーバジェットは基本的な距離計算として扱うべきですが、完全な送信機/受信機リンク仕様の代替として扱うべきではありません。

dB対dBm：光リンク計算の背後にある単位

光ファイバーリンク設計でよくある混乱の原因は、

dB相対パワー差、ゲイン、または損失dBm1mWを基準とした絶対光パワー用語

dBm対dB：光リンクでの意味

dBmとは何ですか？

dBmは絶対的なパワーレベルです。

これは光パワーを1ミリワットと比較して表します。

0 dBm = 1 mW

負のdBm値は、負の物理パワーを意味するわけではありません。単にパワーレベルが1mWを下回っていることを意味します。

たとえば、送信機は最小光出力が-10 dBmと指定されている場合がありますが、受信機は感度が-18 dBmと指定されている場合があります。

これらは両方とも絶対的な光パワーレベルです。

dBとは何ですか？

dBは、2つのパワーレベル間の比率または差を表します。

光リンクでは、dBは次のような損失に使用されます。

ファイバー減衰、

• コネクタまたはアダプタ損失、

• 曲げ関連損失、

• およびエンジニアリングマージン。

• リンクの一部が2dBの損失を発生させる場合、そのセクション後の受信光パワーは、その前よりも2dB低くなります。

この区別は重要です。

dBmは光パワーレベルがどこにあるかを示します。

dBはそれがどれだけ変化するかを示します。
なぜdBm値を減算してdBを取得できるのですか？

dBmは対数であるため、2つのdBm値の差はdBで表されます。

仮に

送信機の最小出力 = -10 dBm

そして

受信機の感度 = -18 dBm

すると

-10 dBm - (-18 dBm) = 8 dB

したがって、システムは最小送信機出力と受信機感度の間に8dBの光パワー差が利用可能です。

この8dBはファイバーの距離ではありません。これは、

光経路全体を賄う損失バジェットです。より強力な送信機は、他のすべての条件が同等であると仮定すると、リンクに多くの光パワーを初期点に提供します。

POFリンクバジェットの最も簡単な出発点は次のとおりです。

光パワーバジェット = 最小送信機パワー - 受信機感度

同じプラスチック光ファイバーが異なるトランシーバーで異なる最大距離を持つことができるのはなぜですか？

保守的なエンジニアリングのために、通常、コンポーネントと環境条件全体でリンクが動作できるかどうかを判断することが目的であるため、最小保証送信機出力は、一般的な送信機値よりも一般的に有用です。

受信機にも同じ原則が適用されます。関連する感度値は、必要な動作条件とデータレートに一致する必要があります。

最小送信機パワーと受信機感度から始める

仮説的なシステムを検討してください。

最小送信機出力: -10 dBm

受信機感度: -18 dBm
初期の光パワーバジェットは次のようになります。

-10 - (-18) = 8 dB

したがって、システムは、その受信機制限に達する前に、指定された送信機出力と受信機しきい値の間に8dBを許容できます。

しかし、8dBすべてをファイバーに割り当てるべきではありません。

他の損失も考慮する必要があります。

受信機の仕様も、最小しきい値だけでなく範囲として読む必要があります。長距離の端では、通常、電力不足が懸念されます。一部のシステムでは、非常に短い距離で過剰な光入力が受信機の指定範囲を超える可能性もあります。したがって、より多くのパワーが常に自動的に良いとは限りません。

送信機と受信機の間の損失を減算する

実用的なリンク損失モデルは次のとおりです。

総リンク損失 = ファイバー損失 + 追加インターフェイス損失 + 終端損失 + 曲げ関連損失 + その他の設置損失

正確なカテゴリは、システムがどのように構築されるかによって異なります。

重要な詳細は、すべての見えるインターフェイスを再度追加する必要はないということです。一部の送信機および受信機の仕様には、定義されたカップリング条件が公開されている光特性にすでに組み込まれています。

設計者がこれらの損失を再度追加すると、バジェットは不必要に悲観的になります。

逆のエラーも同様に問題があります。追加のバルクヘッドアダプタ、インライン接続、またはフィールドインストールされたインターフェイスのコストがゼロであると想定することです。

したがって、計算では、

コンポーネントまたはリンク仕様にすでに含まれている損失と、実際の設置によって追加される損失を区別する必要があります。光パワーマージンを予約する

紙の上で受信機感度にちょうど到達する設計は、実質的に残りの光ヘッドルームがありません。

実際のシステムでは、コンポーネントのばらつき、経年劣化、電源のばらつき、設置のばらつき、環境条件、および追加の受動的損失などの要因に対するマージンが必要になる場合があります。

必要なマージンはシステム固有です。すべてのPOFシステムがまったく同じデシベル数を予約する必要があるという普遍的なルールはありません。

したがって、有用なエンジニアリング方程式は次のようになります。

利用可能なファイバー損失バジェット = PTx(min) - PRx(感度) - 固定損失 - 必要なマージン

これらの控除後に残ったものがファイバーに割り当てられます。

残りのバジェットを近似最大ファイバー長に変換する

ファイバー減衰がdB/mで

αで表される場合、近似的なパワー制限長は次のように計算できます。Lmax ≈ 利用可能なファイバー損失バジェット / αmax

たとえば、システムにファイバー用に4dBが利用可能で、設計減衰値が0.20 dB/mの場合。

Lmax ≈ 4 dB / 0.20 dB/m = 20 m

これは、0.20 dB/mから始めて距離を推測しようとするよりも、はるかに意味のあるものです。

減衰値は、利用可能なバジェットがどれだけ早く消費されるかを示します。送信機と受信機は、そもそもどれだけのバジェットが存在するかを示します。

光パワーバジェットはどこへ行くのか？

実際のPOFリンクは、通常、単一のメカニズムを通じて光パワーを失うわけではありません。

損失または許容範囲

ファイバー減衰は、POFを通過する光がどれだけの光パワーを失うかを説明します。

これは一般的に

dB/m

で表されます。一部の産業用1mmステップインデックスPOFグレードでは、公開されている減衰値は1メートルあたり数十分の1デシベルのオーダーです。より強力な送信機は、他のすべての条件が同等であると仮定すると、リンクに多くの光パワーを初期点に提供します。

これらの数値はPOF減衰の規模を理解するのに役立ちますが、普遍的な定数として扱うべきではありません。設計では、実際のファイバーと動作条件に適した減衰仕様を使用する必要があります。

また、

典型的な減衰値

と最大指定減衰値の間には重要な区別があります。典型的な値は代表的な性能を表す場合がありますが、保守的な最悪ケースのリンク設計では通常、保証された仕様と一致する値が必要です。コネクタ、アダプタ、および追加の光インターフェイス光経路が追加のインターフェイスを通過するたびに、いくらかのパワーが失われる可能性があります。

これには、インラインカプラ、バルクヘッドアダプタ、取り外し可能な接続、または送信機と受信機の間に配置されたその他のインターフェイスが含まれる場合があります。

短い産業用POFシステムでは、総利用可能パワーバジェットが数デシベルしかない場合があるため、比較的わずかな固定損失でも重要になる可能性があります。

リンクに、必要なシステムマージンを確保した後に5dBが利用可能であると仮定します。追加のインターフェイスが1dBを消費する場合、ファイバーには4dBしか残りません。

0.20 dB/mでは、その1デシベルの追加は、約5メートルのファイバー損失バジェットに相当します。

これは、すべてのコネクタが常に1dBを消費することを意味するわけではありません。これは、距離を推定する際に固定損失を無視できない理由を示しています。

ファイバー端面と終端の品質

POFは、比較的簡単に終端できるという点で魅力的ですが、終端の品質は光学的に依然として重要です。

ファイバー端は、送信機からファイバーへ、そしてファイバーから受信機へ効率的に光を供給する必要があります。不適切な切断、不十分な研磨、汚染、機械的損傷、または不適切な位置合わせは、散乱を増加させたり、光カップリングを低下させたりする可能性があります。

「すべてのPOF端面がX dBを追加する」というような有用な普遍的なルールはありません。結果は、終端方法とインターフェイスに依存します。

エンジニアリング計算では、利用可能な場合は関連するコネクタまたは終端仕様を使用します。フィールドインストールされたリンクの場合、終端の品質は、設置方法が実際の測定性能に影響を与える理由の1つでもあります。

曲げ損失

ファイバーは、光パワーを失うために壊れる必要はありません。

POFがきつく曲げられると、ガイドされた光エネルギーの一部が逃げ出し、減衰が増加します。実際の損失は、ファイバーの構造、曲げ半径、曲げ角度、およびケーブルの機械的状態に依存します。

これが、ケーブルのデータシートに通常、曲げ要件が指定されている理由です。

任意の普遍的な曲げ損失値を追加するのではなく、ケーブルを指定された機械的制限内で配線し、異常にきついまたは繰り返しの曲げを追加の光損失の可能性のあるソースとして扱う方が良いアプローチです。

温度とコンポーネントのドリフト

温度は、「高温ではX dBを追加する」のような単純なルールとして扱うべきではありません。

それは、光リンクの複数の部分に同時に影響を与える可能性があります。

送信機の光出力は変化する可能性があります。LEDの波長はシフトする可能性があります。ファイバー減衰は、波長と環境条件に部分的に依存します。受信機の感度も、動作範囲全体で変化する可能性があります。

結果として生じるリンクマージンは、システムレベルの効果です。

広い温度範囲で動作することが期待される産業機器の場合、室温の典型的な値だけでは、最悪ケースの距離設計には十分ではありません。送信機、受信機、ケーブル、および完全なリンク条件は、必要な動作範囲全体で評価する必要があります。

経年劣化、電源変動、および設計マージン

光リンクは、製造ラインを離れた瞬間だけを設計しているわけではありません。

コンポーネントの特性はユニット間で異なり、動作条件や時間とともに変化する可能性があります。電源の許容範囲や設置のばらつきも、実際のリンクに影響を与える可能性があります。

これが設計マージンの目的です。

マージンは未使用または無駄なパワーではありません。これは、予測される動作点と障害境界との間の意図的なヘッドルームです。

適切なマージンはシステム固有です。コンポーネントの仕様、認定方法、必要な寿命、環境、およびシステムの信頼性目標に依存します。

同じPOFが、あるシステムでは20mで機能し、別のシステムでは10mしか機能しないのはなぜですか？

ここで光パワーバジェットが特に役立ちます。

同じPOFを使用し、設計減衰が0.20 dB/mと同じである2つのシステムを想像してください。

ファイバーは同一です。変化するのは、残りの光バジェットです。

同じPOF、異なる到達距離：20m対10m

パラメータ

システムA

システムBの場合

2 dB / 0.20 dB/m = 10 m

これらは意図的に簡略化された仮説的な数値です。これらは普遍的なPOF仕様ではありません。

それらの目的は、

同じ減衰でも、利用可能な光バジェットが異なれば同じ到達距離が得られない

ことを示すことです。異なる送信機は異なる初期パワーレベルを生成しますより強力な送信機は、他のすべての条件が同等であると仮定すると、リンクに多くの光パワーを初期点に提供します。

一方の送信機がもう一方よりも優れた保証最小送信電力を備えている場合、受信機制限に達する前に、より多くの総損失をサポートできる可能性があります。

その追加の損失許容範囲は、より多くのファイバー、より多くの受動的インターフェイス、より多くのマージン、またはそれらの組み合わせに使用できる可能性があります。

異なる受信機は異なる最小光パワーを必要とします

受信機も同様に重要です。

より低い光入力を確実に検出できる受信機は、互換性のある動作条件を仮定すると、感度の低い受信機よりもシステムに大きな潜在的損失バジェットを提供します。

これは、送信機とファイバーが変更されなくても、受信機のみを交換することで、可能なリンク到達距離を変更できることを意味します。

単純な20m対10mパワーバジェットの例

両方のシステムが送信機/受信機のパワー差から始まり、次に必要な固定損失と設計マージンを減算すると仮定します。

これらのすべての控除後

システムAはファイバーに4dBを残します。

システムBはファイバーに2dBを残します。

したがって、同じ0.20 dB/mのPOFは、非常に異なる計算距離を生成します。
現在の産業用コンポーネント選択ガイドは、この点を明確に示しています。異なる650nm POF送信機/受信機の組み合わせは、異なる動作データレートで、約10m、20m、45m、50m、および58mのリンク距離に対して指定されています。

伝送媒体は依然として1mm POFである可能性がありますが、完全な光システムは異なります。

データレートと受信機アーキテクチャは、到達距離をさらに変更する可能性があります

送信機/受信機の組み合わせは、特定の範囲の信号速度と動作条件のために設計されています。

データレートを変更すると、受信機の帯域幅、感度、ノイズ動作、パルス歪み、およびその他の信号整合性要因が関連しているため、利用可能なリンク性能が変化する可能性があります。

したがって、比較的低いデータレートを対象としたシステムは、同様のPOFを使用する高速度システムとは異なる到達距離を達成する可能性があります。

これは、減衰だけでケーブルを選択するのが十分でない別の理由です。ファイバーと光電子コンポーネントは、1つのリンクとして考慮する必要があります。

データシートの距離と実際のエンジニアリング距離が異なる理由

「理論上の距離」というフレーズは、光ファイバーのデータシートを読む際にしばしば緩く使用されます。

公開されているリンク距離は、理論上の最大値ではない場合があります。コンポーネントによっては、定義された送信機、受信機、ケーブル、回路、温度、およびマージンの条件下での指定されたまたは保証された到達距離である場合があります。

したがって、最初のステップは、その数値が実際に何を表しているかを理解することです。

典型的な値は最悪ケースの値と同じではありません

室温で測定された典型的な送信機出力は、最悪ケースの設計に使用すべき送信機出力とは限りません。

同様に、典型的な受信機感度または典型的なファイバー減衰は、保証された制限よりも楽観的な結果をもたらす可能性があります。

これにより、2つの異なる計算が行われる可能性があります。

典型的な計算

代表的なパフォーマンスを理解するのに役立ちます。

最悪ケースの計算コンポーネントと環境のばらつき全体で必要なパフォーマンスが仕様内に収まるかどうかを判断するのに役立ちます。

2つの距離を混同すべきではありません。公開されている到達距離には、すでにいくつかの損失とマージンが含まれている場合があります

一部のリンク仕様は、個々の生のコンポーネント値ではなく、完全な送信機/受信機の組み合わせに基づいています。

たとえば、公開されているリンクパフォーマンスには、定義されたカップリング条件、ファイバー減衰、モード効果、温度変動、または光パワーマージンがすでに考慮されている場合があります。

その場合、想定されるすべての損失を個別に再度減算すると、実際の指定された到達距離が過小評価される可能性があります。

追加のバジェットを構築する前に、何がすでに含まれているかを常に決定してください。

リンク仕様にすでに含まれている損失を二重にカウントしないでください

これは一般的なリンクバジェットのエラーです。

送信機出力仕様が、定義されたカップリングファイバー条件下の光パワーを表していると仮定します。想定される送信機カップリング損失を再度追加すると、同じメカニズムが2回カウントされます。

同じ原則が受信機にも適用されます。

対照的に、設置されたシステムが、公開されているリンク仕様に含まれていないバルクヘッドコネクタ、追加のアダプタ、または追加のフィールド終端を追加する場合、その新しい損失は依然として考慮する必要があります。

有用なルールは次のとおりです。

物理的に存在するからといって損失をカウントしないでください。使用している仕様にすでに考慮されていないからカウントしてください。

設置されたリンクは、必要な条件下で引き続き検証する必要があります

リンクバジェット計算はエンジニアリングモデルです。

完成したシステムには、実際のケーブル配線、終端、コネクタ、コンポーネントの許容範囲、温度条件、および電気インターフェイスがあります。

リンクの信頼性が重要なアプリケーションでは、計算されたバジェットは、完全な送信機と受信機の仕様と比較してチェックされ、必要なシステム条件下で検証されるべきです。

計算の目的は検証を置き換えることではありません。検証が始まる前に設計を理解できるようにすることです。

POFリンク距離を推定するための実用的なワークフロー

データシート仕様から実用的なPOFリンク距離まで

実際の送信機とその必要な条件下での最小光出力を特定します。

受信機感度と有効な光入力範囲を特定します。

1. 初期の送信機から受信機への光パワーバジェットを計算します。

2. これらの仕様にすでに含まれているカップリングまたはインターフェイス損失を特定します。

3. 含まれていない外部コネクタ、アダプタ、終端、曲げ、および設置損失を追加します。

4. システム設計に必要な光マージンを予約します。

5. ファイバー減衰に利用可能な残りのバジェットを決定します。

6. 適切な最悪ケースのファイバー減衰仕様を使用して、パワー制限長を推定します。

7. 送信機/受信機ペアのデータレートとリンク距離仕様を個別に確認します。

8. 組み立てられたリンクを必要な動作条件下で検証します。

9. このプロセスにより、質問は次のように変わります。

10. 「このPOFケーブルは何メートル伝送できますか？」

から

「この完全な光リンクは、必要な距離と設置によって発生する損失を許容できますか？」

これは産業設計にとって、はるかに有用な質問です。

主なエンジニアリングのポイント

POFの伝送距離は、単一の減衰数で定義されるものではなく、ケーブルの固有の固定プロパティとして扱うべきではありません。

ファイバー減衰は、距離が増加するにつれて光パワーがどれだけ速く消費されるかを決定します。送信機は、どれだけの光パワーがシステムに入るかを決定します。受信機は、反対側でどれだけの使用可能な光パワーが残るかを決定します。コネクタ、終端の品質、曲げ、環境条件、およびマージンはすべて、残りのバジェットを消費または影響します。

この関係は次のように要約できます。

送信機パワー → 利用可能な光バジェット → リンク損失 → 残りのマージン → 実用的な到達距離

これが、一見似たようなPOFを使用する2つのリンクが、非常に異なる指定距離を持つ理由です。

エンジニアリング選択のために、送信機と受信機から始め、光パワーバジェットを計算し、完全な光経路を考慮し、次にファイバー減衰を使用して距離を推定します。

dB/mから始めて、答えがすでにケーブルに含まれていると仮定しないでください。

よくある質問

プラスチック光ファイバーはどのくらいの距離を伝送できますか？

プラスチック光ファイバーに普遍的な最大伝送距離はありません。到達距離は、送信機出力、受信機感度、ファイバー減衰、コネクタおよび設置損失、動作条件、設計マージン、そして完全なリンクのデータレート要件に依存します。したがって、異なる産業用POF送信機/受信機システムは、類似の1mm POFを使用しながら、非常に異なる距離を指定できます。

光ファイバーにおけるdBとdBmの違いは何ですか？

dBmは1mWを基準とした絶対的な光パワーレベルを表します。dBは、2つのパワーレベル間の相対的な差または損失を表します。送信機出力と受信機感度は一般的にdBmで指定されますが、ファイバー減衰、コネクタ損失、および光マージンはdBで表されます。

POFリンクの光パワーバジェットをどのように計算しますか？

基本的な計算は次のとおりです。

光パワーバジェット = 最小送信機パワー - 受信機感度

次に、固定光損失と必要なエンジニアリングマージンを減算します。残りのバジェットはファイバー減衰に割り当てることができます。その残りの損失バジェットを、適切なファイバー減衰（dB/m）で割ると、近似的なパワー制限ファイバー長が得られます。

同じプラスチック光ファイバーが異なるトランシーバーで異なる最大距離を持つことができるのはなぜですか？

ファイバーはリンクの一部にすぎないからです。異なる送信機は異なる光パワーレベルを送信できますが、異なる受信機は異なる感度と帯域幅特性を持つことができます。その結果、同じPOFが使用されていても、各送信機/受信機ペアが許容できる総光損失量は異なる場合があります。

コネクタと曲げはPOFの伝送距離を短縮しますか？

短縮する可能性があります。追加のコネクタとアダプタは光損失を発生させる可能性がありますが、きつい曲げはファイバー減衰を増加させる可能性があります。不適切な終端も光カップリングを低下させる可能性があります。それらの実際の効果は、ファイバー、コネクタシステム、終端方法、曲げ半径、および設置に依存するため、単一の普遍的な損失値ではなく、適用可能なコンポーネントおよびケーブル仕様を使用して評価する必要があります。

実際のPOF伝送距離がデータシートの値と異なるのはなぜですか？

まず、データシートの距離が何を表しているかを判断します。それは理論上の最大値ではなく、定義された条件下での保証されたリンク距離である可能性があります。典型的な値、最悪ケースの仕様、温度、ケーブルグレード、受動的インターフェイス、設計マージン、および設置条件はすべて、計算された距離と実際のシステムパフォーマンスとの比較に影響を与える可能性があります。公開されているリンク仕様にすでに含まれている損失も、二重にカウントすべきではありません。