汪洪海 长飞光纤光缆有限公司研发部
摘要：本文从以太网标准的进展入手，由光源，注入方式，多模光纤色散，带宽，及光纤结构等方面分析了新一代Gigabit和10Gigabit以太网多模光纤区别于普通多模光纤的特点。介绍了三种多模光纤带宽的概念和长飞公司新一代多模光纤产品――高贝、超贝光纤的主要性能指标。同时给出了不同多模光纤产品在不同传输速率以太网系统中的传输距离，说明了新一代多模光纤在网络应用中的优点和前景。
关键词：多模光纤，以太网，带宽，差分模延迟，色散，高贝（HiBand），超贝（MaxBand）
1. 以太网标准的进展
众所周知，由于Internet的使用，对数据传输的要求呈现出爆炸性的几何级数般的增长，因此对网络传输速度的要求也是日甚一日。就多模光纤而言，由于其固有的特性，一般使用于局域网，存储网，数据中心等。在这些领域，所要求的数据传输交换速率也是不停增长。以以太网为例，90年代以来，其传输速率从10Mbit/s（以太网）到100Mbit/s（快速以太网）。IEEE在1998年通过了IEEE802.3z的Gigabits以太网（GbE）标准。10Gigabit的以太网标准IEEE802.3ae也在2002年6月通过。多模光纤产品一直是以太网标准所定义的传输媒质，其传输窗口在850nm和1300nm。当前在通信网络中使用地一般多模产品为A1a (50/125um)和A1b (62.5/125um)两种。这两种产品性能是和以太网和快速以太网校准相适应的。而就GbE以太网和10GbE以太网标准而言，A1a和A1b类多模产品是不适合的。主要原因由于LED（发光二极管）光源的调制频率最高只有650MHz左右。因此在Gbit/s和10Gbit/s以太网中必须使用LD（激光二极管）作为光源，如VCSEL（垂直腔面发射激光器）光源[1]。这种光源的变化使得A1a和A1b类多模光纤呈现出了模间色散问题，传输距离无法满足需求。因此，需要改进多模光纤的制造技术，开发制造新一代多模光纤。本文主要介绍新一代多模光纤的技术特点和应用前景。
图1：以太网标准的发展
2. 研发新一代多模光纤的原因
对新一代多模光纤的研发需求可以从三个方面来分析：即光源，注入方式和光纤本身。
2.1 多模光纤的色散和缺陷
一般而言，影响多模光纤性能的指标很多，但对其传输距离造成直接影响的主要是多模光纤的衰减和带宽参数。衰减参数决定于光纤的结构和掺杂浓度，而新一代多模光纤产品在结构上与原有的光纤产品是一致的，因此其衰减指标也相同。多模光纤的带宽使用MHz.km为单位。是一段光纤所能通过的最大调制频率脉冲的调制频率和光纤长度的乘积。由于带宽是一个表征多模光纤光学特性的综合指标，受到诸多因素的影响，如光源，耦合方式，波导结构，以及接收器性能等撇开其他的影响因素，对光纤本身而言，决定其带宽的本征因素是多模光纤的色散特性[2]。讨论多模光纤的色散一般从两方面分析，即模间色散和色度色散。色度色散即由于传输不同波长的光所导致的色散现象；而模间色散指由于不同的传输模式而导致的色散现象。新一代多模光纤和普通多模光纤的本质区别也正源于此。
图2：LED和LD光源及所激发的光纤中传导模及色散的成因
图3：不同光纤折射率剖面的比较
对普通多模光纤而言，由于其预期被使用于LED光源的网络系统中。LED是一种具有大输出面积的宽谱光源。由于其宽谱的特点，所发射的光具有不同的波长分量，当这种光脉冲在光纤内传输时，色度色散是色散的主因。而新一代多模光纤被预期使用于LD光源的网络。LD光源是一种单波长激光光源，因此LD所发出的光脉冲在多模光纤内传输时，模间色散将成为色散的主因（见图2）。
同时由于普通的多模光纤制造过程中的缺陷，在其中心会出现中心“凹陷”（如图3），这种缺陷是由于掺杂材料，如锗的过渡挥发造成的。同时多模光纤的界面，即光纤芯层和包层之间也容易由于掺杂材料的扩散等原因产生缺陷。这些缺陷在原有的多模光纤中是不重要的。但对于新一代多模光纤却是致命的。这些缺陷会极大的增加模间色散而降低光纤的传输性能。
2.2 LED和LD光源比较
就光源而言，表1是一个典型的LED和VCSEL光源的比较。可以发现，VCSEL的光谱宽度远小于LED的光谱宽度，因此比较于LED而言，LD可以说是单波长注入的。同时LED和LD光源的出射光斑大小不同。LED有较大的出射面积，可以激发起多模光纤所有的传导模，而LD光源较小的出射光斑只能激发起一部分传导模式。当LD注入多模光纤端面的不同位置时，不同的模式群被激发，会使得其模间色散有较大差别而影响脉冲的传输距离。图4是LED和VCSEL出射光斑的比较。
图4：LED和VCSEL出射光斑比较
2.3 注入方式比较
注入方式指光源所出射的能量耦合进入多模光纤的过程。一般有满注入和限模注入两种方式。当使用LED光源时是满注入的，即光源出射光斑大小和多模光纤的纤芯大小是匹配的，这时脉冲在光纤内传输时将完全激发多模光纤的传导模式，传输能量集中于中间模式群。而限模注入时，由于入射光斑只覆盖了部分纤芯，当其传导时，也只是激发了部分传导模式群。当入射光斑在纤芯的不同位置时，所激发的模式群也不同，导致模间色散的差别而使得传输光纤的带宽性能变化。因此在限模注入时，必须确定入射的位置和角度，否则光纤支持的传输距离将发生变化。
在GbE以太网标准IEEE802.3z中，对于已埋设的光纤光缆，提出了一个所谓Patch cord[4]的解决方案，是一个典型的限模注入方案。如图2所示，在1300nm波长，这种解决方案使用一根偏置的单模光纤实现限模注入条件，这根单模光纤既可以减少多模光纤中被激发的传导模式，又由于偏置连接，可以避开埋设光纤可能存在的较大的中心凹陷问题。
图5：GbE以太网标准给出的1300nm波长的Patch cord解决方案
上述表明，使用普通多模光纤于Gbit/s和1010Gbit/s以太网系统，由于光源，注入方式和光纤本身的问题，将极大地劣化光纤的传输性能，加大系统的开销，或增加系统的复杂性。为了解决这些问题，开发新一代适合Gbit/s以上传输速率用局域网多模光纤产品是最佳选择。
3. 多模光纤带宽和差分模延迟的测试
区分普通多模光纤和新一代多模光纤的技术指标是光纤的带宽和差分模延迟DMD（Differential Mode Delay）。当前有关于多模光纤带宽的概念主要包括下列三种：
1. 满注入带宽（OFLBW：Overfilled Launch Bandwidth）[5]：这是测试普通多模光纤带宽的方法。被测光纤的纤芯被完全均匀照射，激发起光纤中所有的传导模式，这和使用LED为传输光源是相应的。在满注入带宽测量时，能量集中于中间模式群，高阶模式群和低阶模式群的影响很小。
2. 激光器带宽（RMBW：Restricted Mode Bandwidth，or Laser Bandwidth）[5]：在激光器带宽测试时，使用限模注入法。它使用一根RML光纤建立限模注入条件。RML光纤是一条芯径为23.5±0.1mm，玻璃外径为125mm 的GIMM梯度折射率光纤，控制数值孔径为0.208±0.01。RML光纤要求在850nm/1300nm双波长处的OFL带宽均大于700MHz·km，RML光纤的长度要求在1.5 ~ 5m之间，以便既能消除泄漏模，又不至于产生过大的光损耗。测试时，将RML光纤和待测多模光纤耦合即可测试待测光纤的“激光器带宽”。 RML方法和OFL方法相似，均给出了光纤带宽的频域特性，较易接受。但是RML方法使用了RML光纤，也引入了新的问题，比如RML光纤和待测光纤的对中耦合等。限模带宽的测试使用于Gbit/s以太网多模光纤。模拟在使用LD光源的情况下，在传输光纤中所激发的传导模状态。
3. 有效模带宽（EMBW：Effected Mode Bandwidth）[6]：有效模带宽概念使用于10Gbit/s以太网多模光纤。有效模带宽是结合满注入带宽和差分模延迟（DMD：Differential Mode Delay）测试[7]的结果。有效模带宽不是一个直接测试所得的带宽大小，而是结合满注入带宽和DMD测试结果所保证的工作带宽下限。
事实上，Gbit/s以太网多模光纤和10Gbit/s以太网多模光纤均可以使用DMD测试方法。由于限模带宽的测试需要耦合一段限模光纤，使得测试过程相当受限，因此可以选择使用有效模带宽的测试方法。即同时测试满注入带宽和DMD，以此决定光纤的有效模带宽。研究表明，Gbit/s以太网多模光纤和10Gbit/s多模光纤均可以使用有效模带宽方法。长飞公司通过研发过程，已经确定了Gbit/s以太网多模光纤和10Gbit/s多模光纤的有效模带宽测试方法，并应用于生产中。
图6是DMD测试示意图。在10Gbit/s以太网多模光纤的DMD测试中，使用850nm单模光源注入多模光纤纤芯的不同位置，如从纤芯中心（即0um）到纤芯边缘（如23um）。在不同的注入位置时，测试通过待测光纤后的脉冲形状，如图6右边所示。多模光纤的DMD大小等于：
DMD = (TSLOW – TFAST) – DTREF
其中：TSLOW和TFAST分别以脉冲最大值的25%为起点。DTREF是脉冲固有宽度和光纤色度色散所造成的脉冲展宽之和。
图6：DMD测试装置及结果
摘自 光纤新闻网
