什么是激光器優(yōu)化多模光纖？

介紹

現(xiàn)代企業(yè)網(wǎng)與局域網(wǎng)的發(fā)展推動(dòng)了對(duì)高帶寬的需求。今天的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行在最高10Gb/s的速率上，因此傳統(tǒng)使用LED收發(fā)器，最高帶寬只有622Mb/s的網(wǎng)絡(luò)在支持高帶寬方面就顯得力不從心。為了滿足網(wǎng)絡(luò)更高的速率要求，激光器因其支持更高傳輸速率已經(jīng)取代LED成為網(wǎng)絡(luò)主流光收發(fā)器。這個(gè)從LED到激光收發(fā)器的轉(zhuǎn)變將引起對(duì)光纜要求的許多改變。當(dāng)多模光纖在配合VCSEL激光器使用時(shí)是企業(yè)網(wǎng)最具性價(jià)比的解決方案因此被廣泛使用。為了配合從LED到激光收發(fā)器的轉(zhuǎn)變，新一代的專為激光器應(yīng)用優(yōu)化的多模光纖于1990年末被開發(fā)出來。在本文中，我們將對(duì)傳統(tǒng)多模光纖于激光器優(yōu)化光纖做區(qū)分，并重點(diǎn)突出選擇高質(zhì)量的激光器優(yōu)化多模光纖對(duì)企業(yè)網(wǎng)或局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸速率的重要性。

LED光源與激光光源在光纖中的傳輸

當(dāng)光被注入多模光纖中，它可以沿著纖芯中多種路徑傳輸，每條路徑被成為一個(gè)“模”，因此這種光纖被稱為多模光纖。LED光源發(fā)出的光與激光光源發(fā)出的極窄的光束不同，而是呈現(xiàn)一個(gè)較發(fā)散的光斑（見圖1）。當(dāng)與多模光纖耦合時(shí)，LED的光纖將覆蓋整個(gè)纖芯的表面因此將許多階次的模都激發(fā)。在同樣的耦合條件下，激光的光束只會(huì)激發(fā)少數(shù)階次的模，而且這些模主要是沿著纖芯的中心區(qū)域傳播。

圖1：LED與激光光源傳輸特性對(duì)比

激光光源可能無法與傳統(tǒng)多模光纖一起工作

多模光纖的芯層是較外圍的包層（折射率較低）具有較高的折射率的區(qū)域（玻璃的密度較高）。這種折射率的差異是將光線（即不通階次的模）束縛在纖芯內(nèi)部而不會(huì)分散到包層中（表現(xiàn)為衰減的提高）的需要。多模光纖的折射率分布呈對(duì)稱的拋物線狀（見圖2），意味著沿著纖芯的表面折射率是不斷變化的。這種分布是在生產(chǎn)過程中精確控制原料（即摻雜物，主要是硅和鍺的成分）的流動(dòng)來獲得的。拋物線狀的折射率分布是為了均一化以不通速率沿不同路徑傳輸?shù)牟煌�階次的模，使它們同時(shí)出發(fā)同時(shí)到達(dá)。任何在到達(dá)時(shí)間上的差異將造成模式色散。多模光纖的傳輸性能是以帶寬（或最倒傳輸速率）與傳輸距離的形式來度量的，單位是MHz.km。帶寬與模式色散呈反比關(guān)系。

傳統(tǒng)的多模光纖的折射率分布曲線上的中心部位有一個(gè)中心縮孔的問題，如圖2所示。中心縮孔是非激光器優(yōu)化光纖的一個(gè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的特性，當(dāng)非激光器優(yōu)化光纖與LED光源配合使用時(shí)，因?yàn)長(zhǎng)ED較大的光斑中心縮孔不產(chǎn)生任何影響。而當(dāng)激光光源與多模光纖耦合時(shí)，因激光較窄的光斑且經(jīng)常位于纖芯位置，中心縮孔問題就對(duì)光線傳輸產(chǎn)生了較大的影響。為了支持現(xiàn)代高速率的系統(tǒng)，激光器取代LED是必然結(jié)果，但由于中心縮孔的問題造成光線扭曲，誤碼率上升帶寬大大下降。因此即使使用了高帶寬的激光光源如果配合使用了傳統(tǒng)多模光纖的話也無法支持10Gb/s的系統(tǒng)。

圖2：傳統(tǒng)多模光纖與激光器優(yōu)化多模光纖折射率分布圖
激光器優(yōu)化光纖：設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試與認(rèn)證都基于激光器系統(tǒng)

為了克服中心縮孔的問題，必須將多模光纖中心部位的折射率分布對(duì)激光傳輸進(jìn)行優(yōu)化。1998年康寧公司在業(yè)界率先推出了針對(duì)激光傳輸優(yōu)化的多模光纖產(chǎn)品。在圖2中可以看到，激光傳輸最優(yōu)化的折射率分布已經(jīng)將中心縮孔問題完全消除。

除了中心縮孔的問題，激光器優(yōu)化光纖與傳統(tǒng)光纖另一個(gè)最大的區(qū)別是它們都是用激光系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試與認(rèn)證的。用激光系統(tǒng)測(cè)試與認(rèn)證是保證光纖與各種激光收發(fā)器系統(tǒng)配合使用時(shí)性能的必要保證。

為什么選擇50mm規(guī)格的多模光纖？

通過使用正確的激光度量方法我們可以生產(chǎn)62.5 mm與50 mm兩種規(guī)格的激光器優(yōu)化多模光纖，然而50 mm規(guī)格的多模光纖有一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)在于它的特殊設(shè)計(jì)可以在850nm窗口提供比62.5 mm規(guī)格的光纖更高的帶寬值，這使得它可以更好地配合低成本的VCSEL激光收發(fā)器而無需昂貴的1300 nm Fabry Perot激光收發(fā)器或者分布反饋式激光收發(fā)器。特別是最新的50 mm激光器優(yōu)化多模光纖，其帶寬可達(dá)傳統(tǒng)62.5 mm光纖的10－20倍。此外，50 mm多模光纖還因纖芯含有較少的鍺而比62.5 mm光纖衰減更低。

50 mm規(guī)格激光器優(yōu)化光纖中性能最高的品種是符合ISO 11801標(biāo)準(zhǔn)（又被稱為TIA/EIA 492AAAC-A與IEC 60793-2-10 A1a.2類標(biāo)準(zhǔn)）被稱為OM3光纖的產(chǎn)品。OM3光纖是為保證10 Gb/s傳輸至少300米而設(shè)計(jì)的，其最小有效模帶寬達(dá)到2000 MHz.km。此外，還可以見到具有更高帶寬的增強(qiáng)型的“OM3+”光纖，它可以提供或者更長(zhǎng)的鏈路或者更高的系統(tǒng)余度從而可以接受更多的系統(tǒng)損耗，如更多的接頭等

LED與激光器在多模光纖中的性能特性

一根光纖的高速率性能取決于被激發(fā)模的傳輸時(shí)延與能量在各個(gè)模上的分布。因此，傳統(tǒng)多模光纖（為配合LED光源所設(shè)計(jì)）所使用的傳輸特性度量方法叫“滿注入帶寬（OFL）”來模擬LED的光源耦合特性。而激光光源的耦合特性是完全不同的，因此激光器優(yōu)化光纖就需要全新的度量方法。

目前有多種激光傳輸特性的度量技術(shù)存在：差分模時(shí)延 differential mode delay (DMD)，限模注入 restricted mode launch (RML)與最小有效模帶寬計(jì)算方法minimum calculated effective modal bandwidth (minEMBc)。RML帶寬度量方法是最先被納為標(biāo)準(zhǔn)的(TIA-455-204)激光器優(yōu)化光纖度量方法，適用于度量帶寬為1 Gb/s的系統(tǒng)。對(duì)于高達(dá)10 Gb/s的系統(tǒng)，必須使用業(yè)界最新的最準(zhǔn)確的minEMBc方法。minEMBc的標(biāo)準(zhǔn)號(hào)是TIA/EIA 455-220與IEC 60793-1-49，并成為唯一基于DMD技術(shù)的高帶寬與鏈路長(zhǎng)度精確度量方法，而其它的度量方法僅能提供一個(gè)是否能支持10 Gb/s傳輸300米的估計(jì)。而未經(jīng)minEMBc方法度量的激光器優(yōu)化光纖的10 Gb/s傳輸性能不能絕對(duì)保證。

結(jié)論

當(dāng)今的企業(yè)網(wǎng)與局域網(wǎng)需要支持1 Gb/s或者更高速率以適應(yīng)千兆、萬兆以太網(wǎng)，F(xiàn)iber Channel等應(yīng)用。因此，最高速率只有622 Mb/s的LED已經(jīng)被激光取代，特別是850nm的VCSEL，而激光器優(yōu)化光纖也逐漸取代傳統(tǒng)光纖來為用戶提供低成本高性能的解決方案。然而不是所有的激光器優(yōu)化多模光纖都具有同樣的性能。外部氣相沉積OVD方法可以較好地解決中心縮孔的問題并能提供良好的軸向均一性，而用改進(jìn)化學(xué)氣相沉積方法MCVD與等離子化學(xué)氣相沉積PCVD方法在解決這方面的問題上就相對(duì)困難。精確度量萬兆系統(tǒng)的方法是minEMBc�？祵幑�司使用minEMBc來度量其10 Gb/s InfiniCorÒ系列激光器優(yōu)化多模光纖，并且是唯一對(duì)每卷光纖都進(jìn)行激光性能測(cè)試以確保性能的廠家。

參考文獻(xiàn)

i. P. Bell, Todd Wiggs, “Multimode fiber and the Vapor Deposition Manufacturing Process”, Corning Optical Fiber Guidelines, web publication, Volume 10, July 2005 www.corning.com/opticalfiber/guidelines_magazine/eguidelines/vol10/view.aspx?article=2&page=1&region=na&language=en

技術(shù)資料來源

1. Premises Fiber Selection Guide http://www.corning.com/docs/opticalfiber/WP1160.pdf
2. Evolution of 50/125 mm fiber since publication of IEEE 802.3ae http://www.corning.com/docs/opticalfiber/WP4253.pdf
3. With calculated EMB, SR 10G is guaranteed http://www.corning.com/docs/opticalfiber/r3716.pdf
4. 50 mm Optical Fiber Q&A
http://www.corning.com/docs/opticalfiber/WP4044.pdf