涂峰 汪洪海
长飞光纤光缆有限公司研发部 武汉 430073
摘要：本文介绍了长飞公司生产的新一代多模光纤，随着以太网技术的发展和传输速度的提高，其使用的多模光纤的特性也在发生巨大的变化，长飞高贝系列多模光纤符合相关的国际标准，凭借其优秀的品质和性能，为用户提供最优秀的产品。
关键词：以太网，高贝(HiBand)光纤，DMD（差分模延迟），带宽，折射率分布。
1 简介
计算机网络的普及和发展，带动基于网络的数据传输业务的快速增长，对网络的传输速率的要求也不断提高。以以太网的发展为例，分别制定了十兆以太网，百兆以太网，以至于千兆以太网标准。IEEE在1998年通过了IEEE802.3z的Gigabits以太网（GbE）标准。接着更高传输速度的10Gigabit的以太网标准IEEE802.3ae也于2002年6月获得通过。在千兆以太网和万兆以太网标准中，均将多模光纤作为其传输媒介之一。但和低速和高速以太网不同，由于发光二极管（LED）的最大调制速率仅为622MHz，因此在千兆以太网中将使用激光（LD）作为光源，VCSEL（垂直腔面发射激光器），F-P 激光器，和CD激光器均是其选择。而在这种使用条件下，标准多模光纤的传输距离是相当有限的。因此开发用于千兆以太网系统，支持更长传输距离的新一代多模光纤系列，对增强通信系统的扩容和升级能力的重要性是不言而喻的[1]。
2 新一代多模光纤
多模光纤固名思义是指可以传输多个模式的光纤。相对于普通单模光纤而言，多模光纤具有较大的数值孔径及较高的纤芯折射率。由于多模光纤具有多个模式传输，因此而产生的模式色散使得多模光纤的带宽远远低于单模光纤带宽。但由于多模光纤具有较大的芯径与数值孔径，因此其对传输系统中的器件要求相对要低得多，可以采用相对便宜的光收发器。
传统上，一直是采用发光二极管（LED）作为光源，用标准化的满注入法OFL测量多模光纤带宽的。该方法测量的多模光纤模带宽指标对于采用LED作为光源的低速率系统是可靠的。但是由于LED的调制速率太低，最大调制速率仅为622MHz，其发射光谱较宽，发射的光束的发射角过大，都使其不能满足千兆比特以上的传输速率要求。因此，千兆比特以太网和10Gbit/s以太网都必须用激光器作为光源。VCSEL（垂直腔面发射激光器），F－P激光器和CD激光器均是其选择。使用激光器所发射的光束具有窄波谱，小的光学发射角和小的光斑大小。但是在这种条件下，标准多模光纤的传输距离非常有限，使得标准多模光纤难以满足Gigabit以太网的传输要求。[2]
长飞公司凭借PCVD（Plasma-activated Chemical Vapor Deposition）的优势，已经开发出用于千兆以太网的多模光纤，即HiBand光纤[4]。对于这种多模光纤，必须精确控制芯层的折射率剖面，以提高光纤的带宽特性。在千兆以太网系统中，由于使用激光器作为光源，光纤中被激发的传输模式是有限的。低阶模所携带的能量所占比例增加，这和标准多模光纤的满注入使用条件不同，因此，光纤中心部分的折射率分布变得相当重要。这些新的特性，正如下面所将论述的，必须使用DMD（Differential Mode Delay：差分模延迟）测试技术[3]。
3 新一代多模光纤的带宽
光纤带宽是表征光纤传输特性的一个主要参数，它限制了光纤通信信道所能传输的最高光脉冲速率。光纤带宽直接由光脉冲在经过光纤后的脉冲展宽程度所决定。多模光纤带宽大小与光纤纤芯折射率剖面结构有关，梯度折射率分布多模光纤的纤芯折射率n分布遵循方程：
a为纤芯半径，n1为芯层正中心折射率，∆为芯层的相对折射率，其中g参数决定了光纤的剖面结构形状。光纤带宽与纤芯剖面结构的精确控制有很大的关系，实际纤芯剖面结构越接近理论分布曲线，光纤带宽相对越高。
相比于LED光源，LD有更窄的光谱宽度，更小的出射角，并能被高频调制。在GbE及更高传输速度的以太网中，需要使用激光作为信号光源。在850nm波长的VCSEL激光器和1310nm的F-P激光器（F-P LD）均被认为是合适的选择。图1示意了LED光源和LD光源在光纤中激起不同数量的传输模式。
当我们采用像LED这样的发光器件时，面光源LED发射的光充满在整个光纤中（我们称为overfilled模型）。光能量均匀分布在所有的模态分量中。由于不同路径传送的光分量到达时间存在差异，因而光脉冲会逐渐变宽。但是，由于能量均匀分布，每一个光分量对整个光脉冲的影响反而很小；当我们把LED换成Laser时，情况会变得不同，由于激光只包含很少几个模态分量，因而每个光分量携带的能量十分集中，这样一来每个光分量反而会对整个光脉冲产生重要的影响
传统多模光纤从标准上和设计上均以LED方式为基础，因此，由于两种发光器件传输方式的不同，必须对光纤本身进行改造，以适应光源的变化。为什么在100Mbps时可以支持2000米的多模光纤，在1Gbps时只能支持550米？主要原因正是由于多模光纤的DMD现象。经过测试，我们发现，多模光纤在传送光脉冲时，光脉冲在传送过程中会发散展宽，当这种发散状况严重到一定程度后，前后脉冲之间会相互叠加，使得接受端根本无法准确分辨每一个光脉冲信号，这种现象我们称为DMD（Differential Mode Delay）。产生的主要原因在于，多模光纤中同一个光脉冲包含多个模态分量，从光传输的角度看，每一个模态分量在光纤中传送所走的路径不同，例如，沿光纤中心直线传送的光分量，与通过光纤包层反射传送的光分量具有不同的路径。从电磁波角度看，在多模光纤内径中的这个三维空间内包含着很多模态（300-1100）分量，其构成十分复杂。
3.2 HiBand光纤
开发符合Gigabit以太网标准的多模光纤，一个重要的方面在于要求光纤芯层的折射率分布必须得到精确控制。优化光纤生产的每个环节，控制光纤的折射率变化，是研发的重要工作。
对于PCVD（Plasma-activated chemical vapor deposition）这种管内法而言，在预制棒融缩时，由于长时间的高温过程，中心部分材料挥发分解，以及随后的腐蚀融实过程的挥发和二次沉积均可影响预制棒中心部分的折射率分布，并使得拉制光纤的中心折射率分布产生畸变。
由于在Gigabit以太网中使用LD光源，光脉冲的传输仅激发起部分传导模群，能量集中在光纤的中心部分，相比于满注入过程激发所有的传导模群而言，“中心凹陷”将显著影响脉冲的展宽，降低光纤的“激光带宽”。因此，在HiBand光纤的研发过程中，主要通过控制光纤生产的整个过程，从沉积，融缩，到拉丝，优化工艺参数，确保光纤的芯层折射率分布符合设计要求，减少并消除光纤中的“中心凹陷”。图2是典型的HiBand光纤的芯层折射率分布及DMD测试示意。由图可知，实际折射率分布和理想折射率分布相当吻合，同时其DMD测试表明，传输脉冲展开均匀，不同脉冲间的时间延迟也很小，这种光纤完全可以满足Gigabit以太网的需求。
4 结 论
长飞光纤光缆有限公司凭借PCVD技术的优势，所开发的新一代Gigabit以太网Hiband多模光纤，包括62.5/125mm，和50/125mm多模光纤类型，其性能指标均优于Gigabit以太网的技术要求。
长飞掌握了从制棒到拉丝全套光纤制造的核心技术和生产工艺，使得长飞系列多模光纤能最大限度的满足客户的需求，同时还有能力提供最全面的技术支持，努力提供世界一流的国产品牌。
参考文献：
1．新一代多模光纤，唐仁杰，光通信研究，No.3，2001，51
2．Gigabit以太网多模光纤的发展，汪洪海等，通信世界，No.14，2002，74
3．TIA/EIA-455-220，FOTP-220，“Differential mode delay measurement of multimode fiber in the time domain”
4．DMD在高贝®光纤测试中的应用，汪洪海
作者介绍：涂峰，1980年出生，2000年毕业于华中理工大学物理系，获理学学士学位；2002年获华中科技大学材料物理与化学专业工学硕士学位，现在长飞光纤光缆有限公司研发部任研发工程师，从事多模光纤以及特种光纤的研发工作。
摘自 光纤新闻网
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