汪洪海
长飞光纤光缆有限公司研发部， 武汉430073
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）
4. 新一代千兆以太网（GbE）和万兆以太网（10GbE）多模光纤
通信用多模光纤，无论是A1a或A1b光纤，均为梯度折射率多模光纤，其芯层折射率的分布可以表示为[2]：
其中： 
，n1为光纤中心折射率，a为多模光纤纤芯半径。
图7：不同Alpha值的折射率剖面分布和不同传输波长的最优Alpha值
一般而言，对于梯度折射率多模光纤，当a » 2时，光纤中各传导模具有几乎相同的时间延迟。这时的光纤带宽性能是最优的。同时最优折射率指数也和传输的光波长有关。不同的传输光具有不同的最优指数。图7表明了上述情形。可以看到，对于不同的Alpha值，折射率剖面之间的差异是相当小的，但这种微小的差异可能导致DMD测试很大的差别，因此在光纤预制棒的制造过程中，必须仔细优化控制工艺过程，才能最后得到合格的光纤产品。另外，不同的传输波长时最优Alpha值是不同的。尤其对于10GbE激光器优化多模光纤，其使用窗口为850nm，因此其Alpha值必须被优化在2.04附近。
4.1 GbE千兆以太网多模光纤
1. 千兆以太网多模光纤的特征
GbE千兆以太网多模光纤包括62.5/125um和50/125um两种类型，在几何和结构上与普通多模光纤是完全一样的。因此其几何，机械，衰减和满注入带宽特性和普通多模光纤也是一致的。但千兆多模光纤同时需要通过1300nm波长的DMD测试。因此，比较于普通多模光纤，千兆以太网多模光纤在折射率分布上必须消除中心“凹陷“缺陷和界面缺陷，同时必须仔细控制折射率剖面的Alpha值以保证850nm和1300nm的带宽。
2. 带宽和DMD的测试及比较
图8是长飞的千兆以太网多模光纤――高贝光纤和一般多模光纤满注入带宽分布的比较。由图可知，高贝光纤和一般多模光纤的带宽分布是相似的。这和他们具有相同的光学结构是一致的。因此事实上无法根据光纤的满注入带宽大小判断是否为新一代千兆以太网多模光纤，而必须增加DMD测试。
图8：普通多模光纤和千兆以太网多模光纤满注入带宽的分布比较
长飞公司高贝光纤的DMD测试选择1300nm波长。图9是两根具有相近带宽大小（包括850nm和1300nm波长）的多模光纤1300nm波长的DMD测试结果。可以明显发现，左边光纤的DMD测试结果优于右边光纤的结果。左边光纤从中心到边缘界面，基本只有单一的波峰，且位置变化不大。而右边光纤中心部分出现了许多波峰，这和光纤的中心缺陷有关。最后的结果表明，虽然它们有相似的带宽大小，但左边光纤是高贝光纤，而右边光纤却不是高贝光纤。
图9：两根多模光纤的DMD测试结果
3. PCVD工艺的特点和优势
当前许多光纤制造公司都已推出了各自的千兆以太网多模光纤产品，如Corning，OFS， Pirelli，长飞等公司。这些新一代多模光纤使用了不同的光纤制造工艺，包括OVD（外部气相沉积法），MCVD和PCVD等。其中长飞公司所使用的PCVD方法，在多模光纤的制造上具有独特的优势。PCVD工艺的优势至少包括：沉积层数多，每层的沉积量少。在多模光纤的沉积过程中，PCVD方法一般需要几千层的沉积，每层的沉积厚度以微米计。由于每层的沉积量极小，因此可以精确控制每层的掺杂量，准确控制剖面的结构，这是其他沉积过程无法比拟的。另外，PCVD方法由于等离子体的高能量，使得每层沉积物被同时玻璃化，而其他沉积方法均存在一个粉末（Soot）过程。这种实时的玻璃化过程有利于锁定掺杂物质，减少掺杂物的挥发和扩散。同时PCVD的中心腐蚀工艺可以完全消除由于高温融缩造成的中心“凹陷”。所有的这些优点使得长飞公司的千兆以太网多模光纤――高贝光纤具有超出标准的优异性能。
4. 长飞千兆以太网多模光纤――高贝光纤的性能及比较
使用PCVD工艺，长飞公司已经研发并推出了高性能的千兆以太网多模光纤产品，高贝（HiBand）光纤。高贝光纤包括62.5/125um和50/125um两种产品。表2是高贝光纤在Gbit/s以太网中所能达到的传输距离。其中IEEE802.3z是该标准所要求的千兆多模光纤传输距离。比较可以发现，高贝光纤具有更为优越的传输性能，远远超出标准的要求。这和PCVD工艺的优点是一致的。高贝光纤的其他性能指标，如几何、机械、环境及光学指标，与普通多模光纤相同。
表2：新一代多模光纤在GbE的传输距离比较[8]
4.2 10GbE万兆以太网多模光纤
1. 万兆以太网多模光纤的特点
2002年6月通过的10Gbit/s以太网标准IEEE802.3ae将光纤作为唯一的传输媒质。其中对多模光纤，在850nm窗口要求传输距离达到300m以上。这包括两种情况，其一使用正常62.5/125um多模光纤和WWDM激光器光源；其二使用激光器优化的50/125um多模光纤和VCSEL光源。在此我们只涉及这类新的万兆以太网多模光纤――所谓激光器优化的50/125um多模光纤。
万兆以太网多模光纤有如下特点：
1. 万兆以太网多模光纤只有50/125um一种结构，没有62.5/125um的类型。主要原因在于62.5/125um多模光纤很难达到万兆以太网传输所要求的带宽要求。
2. 万兆以太网多模光纤被优化在850nm窗口，和一般的多模光纤不同。如图7所示，万兆以太网多模光纤的折射率指数比普通多模光纤稍大，其最优带宽波长被移到850nm，以适应IEEE802.3ae标准的要求。
3. 万兆以太网多模光纤的功率注入必须符合标准TIA/EIA-455-203[9]，该标准对注入纤芯的光功率分布定义如下：4.5mm半径内的区域光通量（Encircled Flux） £ 30%, 19mm半径内的区域光通量 ³ 86%。在注入条件和多模光纤均符合标准的条件下，才能保证足够的传输距离。
4. 万兆以太网多模光纤的带宽指标包括两部分，即满注入带宽和有效模带宽。满注入带宽的测量过程和普通多模光纤相同。万兆多模光纤的满注入带宽要求为：850nm窗口大于1500MHz.km，1300nm窗口大于500MHz.km。同时万兆多模光纤要求测量850nm的DMD指标，DMD的测试要求在标准TIA/EIA-455-220中被详细定义。如要求注入单模850nm脉冲，要求足够小的谱宽和足够短的脉冲长度，以及对探测器的具体要求。当多模光纤的满注入带宽指标和DMD指标均通过要求时，可以认为被测光纤的有效模带宽在850nm大于2000MHz.km，在1300nm大于500MHz.km。需要指出的是，有效模带宽不是一个具体测量所得的带宽大小，而是综合满注入带宽和DMD测量结果后所保证的工作带宽的下限。
万兆以太网多模光纤所具有的上述特点，使其区别于一般的多模光纤，因此在一些标准中它被单独列为一类。图10是与万兆以太网多模光纤有关的一些标准。
图10：万兆以太网多模光纤相关标准
表3：万兆以太网多模光纤850nm测试的DMD模板
2. DMD测试及模板
表3是万兆以太网多模光纤的DMD测试模板。在DMD测试时， 850nm单模光斑的入射位置从多模光纤的纤芯连续向芯/包界面方向移动，位移间隔约1um。在每个位置接收通过被测光纤的波包。计算相对位置的DMD值。如果被测光纤的DMD大小符合表3的六个模板的任何一个，即认为被测光纤通过DMD测试。
表3的DMD由两部分组成，即内模板和外模板。内模板位于外模板之中，且可以在外模板中“浮动”。当内模板要求更为“严格”时，外模板的要求较为“宽松”，反之亦然。这种模板的要求既保证了足够能量的脉冲传输，又保证了万兆多模光纤的生产效率。
3. 长飞万兆以太网多模光纤――超贝光纤
长飞公司已经开发出符合“万兆以太网多模光纤标准”的多模光纤产品，即超贝（MaxBand）光纤。图11是部分超贝光纤850nm满注入带宽的分布情况。可以发现，通过精心设计的超贝光纤70％以上850nm带宽大于1500MHz.km，大于30%的光纤带宽大于3000MHz.km。充分证明了PCVD在多模光纤制造中的优势。表4给出了4个一般的DMD测试结果，可以看出，比较于表3的模板，无论是内模板，还是外模板，超贝光纤的DMD结果都远远小于标准要求。
总之，PCVD工艺的优势完全可以胜任万兆以太网多模光纤的制造，通过工艺改进和制造过程的合理控制，所制造的万兆多模光纤的质量是相当优异的，完全可以保证10Gbit/s以太网中300m以上的传输距离。
图11：超贝光纤的850nm满注入带宽分布
表4：超贝光纤的850nmDMD测试结果
4. 其他的万兆以太网多模光纤
虽然万兆多模光纤的标准只定义了300m传输距离一种光纤类型。但一些光纤制造企业同时推出了其他的万兆多模产品。如在10Gbit/s以太网中达到150m传输距离的多模光纤，以及达到550m以上传输距离的万兆多模光纤。其中代表性的有Corning公司，OFS公司等。同时一些标准组织也在讨论相关的测试标准。但目前，这些产品的指标只是一些企业标准。它们的满注入带宽和DMD指标基本上是激光器优化多模光纤相关指标[6]的一种外推。表5[10]是OFS的LasweWave系列光纤的带宽和DMD比较，可以明显发现这一点，LaserWave500和LaserWaveXL的DMD只给出测试标准FOTP-220，可以根据标准换算。长飞公司也推出了超贝系列光纤：超贝150和超贝300光纤，分别相当于LaserWave150和LaserWave300。它们在10Gbi/s以太网中可保证大于150m和300m的传输距离。更长传输距离的高贝光纤也可以应客户需求提供。
表5：LaserWave系列光纤的满注入带宽和DMD指标比较
5. 多模光纤产品在不同以太网系统的传输距离比较
关于不同多模光纤产品的传输距离，已经有许多研究，尤其象Lucent公司，Bell实验室这样的顶级机构。在这一部分，将长飞公司的部分多模光纤产品在不同传输速率以太网系统中支持的传输距离列出。这些数据参考了以前的研究资料[11]，根据长飞多模产品的具体性能指标得到。表中带“*”号的数据指相应的高贝光纤产品的传输距离。注意不同的以太网标准使用光源的不同。
表6：多模光纤产品所支持的传输距离（单位：米）
*：指高贝光纤的传输距离。
6. 新一代多模光纤的应用优点
关于新一代多模光纤的应用，包括10GbE以太网应用，已有一些实例。图12是一个大楼多模光纤局域网示意图。其垂直总线可使用超贝光纤实现10Gbit/s速率传输，水平总线可使用高贝光纤实现Gbit/s速率传输，使用普通多模光纤实现100Mbit/s速率传输到桌面，到计算机。
图12：大楼以太网示意图
使用新一代多模光纤组网，有许多优点。
1. 经济性。大量的测算表明，使用新一代多模光纤建设850nm应用窗口的10Gbit/s以太网系统，其费用是最低的。大约只是单模光纤系统的1/3～1/2之间。
2. 兼容性。新一代多模光纤和普通的多模光纤在几何结构上完全相同，材料的掺杂也相似。大量的熔接实验表明，新一代多模光纤，包括超贝光纤和高贝光纤，均可以和普通多模光纤相互熔接，熔接衰耗分布和同类型多模光纤的熔接衰耗分布完全相同。
3. 可升级。使用新一代多模光纤，由于其高于普通多模光纤的性能指标，使得系统的升级十分简单经济。
上述优点使得新一代多模光纤在高速率大楼局域网，数据中心，存储网，光纤到户（FTTH）等领域具有竞争力。
7. 单/多模光纤产品
单/多模光纤是首先由Pirelli公司推出的FineLight光纤。这种光纤的特点在于，它是一种色散非位移单模光纤，即G652光纤。但普通的G652光纤在850nm窗口的色散很大，因此带宽很小。FineLight[12]光纤改善了850nm窗口的带宽特性，使其带宽达到600MHz.km以上。这种光纤被预期应用在局域网和光纤到户等领域。其设想是，在当前传输速率要求较低的状况下，可以应用多模系统，使用于850nm窗口；当传输速率的要求更高时，可以使用单模系统，工作在1310nm或其他窗口。因此使用这种单/多模光纤非常适合于系统的升级，从多模向单模系统的升级。
长飞公司也进行了相应产品的研发。这种光纤和普通单模光纤的主要区别在于：普通多模光纤的折射率分布是阶跃的，而这种光纤芯层的折射率分布是渐变的。通过调整芯层的折射率分布可以改善850nm窗口的带宽性能，同时保持G652光纤的性能要求。图13是一根单/多模光纤样品在850nm窗口的DMD测试结果。明显有两个模式群存在，此光纤的850nm带宽大约为500MHz.km，详细的试验结果我们将另文报告。
图13：单/多模光纤850nm窗口DMD测试结果
8. 结语
多模光纤是最早被应用于光纤通信的光纤类型，随着光纤通信技术的发展，多模光纤技术也在向前发展。从较早的多模阶跃光纤，到多模渐变光纤，从低速应用多模光纤到新一代高速多模光纤，多模光纤的性能不断地改进。在本文中，主要介绍了使用于Gbit/s和10Gbit/s以太网系统，适应激光器光源的千兆和万兆以太网多模光纤。当然，这些多模光纤并不仅仅使用于以太网领域，其他的网络协议，如光纤通道（Fiber Channel），OIF(Optical Internetworking Forum)等也在其新的标准协议中使用了新一代多模光纤作为其传输媒质。因此可以说，新一代多模光纤是多模光纤技术适应网络发展需求的结果，在局域网，短距离数据传输，光纤到户等领域具有广泛的应用前景。
参考文献
1. IEEE802.3ae
2. 光纤通信基础，李玲，黄永清编著，国防工业出版社
3. 促进光纤在综合布线中应用的几种新技术，王强民
4. IEEE802.3z
5. TIA/EIA-455-204，FOTP-204，“Measurement of bandwidth on multimode fiber”
6. TIA/EIA-492AAAC, Detail specification for 850nm laser-optimized 50mm core diameter/125mm cladding diameter la graded-index multimode optical fibers
7. TIA/EIA-455-220，FOTP-220，“Differential mode delay measurement of multimode fiber in the time domain”
8. http://www.yofcfiber.com/cp/cp.htm，长飞公司光纤产品指标
9. TIA/EIA-455-203, Launched Power Distribution Measurement Procedure for Graded-Index Multimode Fiber Transmitters
10. http://www.ofsoptics.com
11. Laser Optimized Multimode Fibers for Short Reach 10Gbps System, J. E. George et al
12. http://www.pirelli.com
摘自 光纤新闻网
