什么是激光器优化多模光纤？

介绍

现代企业网与局域网的发展推动了对高带宽的需求。今天的网络运行在最高10Gb/s的速率上，因此传统使用LED收发器，最高带宽只有622Mb/s的网络在支持高带宽方面就显得力不从心。为了满足网络更高的速率要求，激光器因其支持更高传输速率已经取代LED成为网络主流光收发器。这个从LED到激光收发器的转变将引起对光缆要求的许多改变。当多模光纤在配合VCSEL激光器使用时是企业网最具性价比的解决方案因此被广泛使用。为了配合从LED到激光收发器的转变，新一代的专为激光器应用优化的多模光纤于1990年末被开发出来。在本文中，我们将对传统多模光纤于激光器优化光纤做区分，并重点突出选择高质量的激光器优化多模光纤对企业网或局域网数据传输速率的重要性。

LED光源与激光光源在光纤中的传输

当光被注入多模光纤中，它可以沿着纤芯中多种路径传输，每条路径被成为一个"模"，因此这种光纤被称为多模光纤。LED光源发出的光与激光光源发出的极窄的光束不同，而是呈现一个较发散的光斑（见图1）。当与多模光纤耦合时，LED的光纤将覆盖整个纤芯的表面因此将许多阶次的模都激发。在同样的耦合条件下，激光的光束只会激发少数阶次的模，而且这些模主要是沿着纤芯的中心区域传播。

图1：LED与激光光源传输特性对比

激光光源可能无法与传统多模光纤一起工作

多模光纤的芯层是较外围的包层（折射率较低）具有较高的折射率的区域（玻璃的密度较高）。这种折射率的差异是将光线（即不通阶次的模）束缚在纤芯内部而不会分散到包层中（表现为衰减的提高）的需要。多模光纤的折射率分布呈对称的抛物线状（见图2），意味着沿着纤芯的表面折射率是不断变化的。这种分布是在生产过程中精确控制原料（即掺杂物，主要是硅和锗的成分）的流动来获得的。抛物线状的折射率分布是为了均一化以不通速率沿不同路径传输的不通阶次的模，使它们同时出发同时到达。任何在到达时间上的差异将造成模式色散。多模光纤的传输性能是以带宽（或最倒传输速率）与传输距离的形式来度量的，单位是MHz.km。带宽与模式色散呈反比关系。

传统的多模光纤的折射率分布曲线上的中心部位有一个中心缩孔的问题，如图2所示。中心缩孔是非激光器优化光纤的一个生产过程中产生的特性，当非激光器优化光纤与LED光源配合使用时，因为LED较大的光斑中心缩孔不产生任何影响。而当激光光源与多模光纤耦合时，因激光较窄的光斑且经常位于纤芯位置，中心缩孔问题就对光线传输产生了较大的影响。为了支持现代高速率的系统，激光器取代LED是必然结果，但由于中心缩孔的问题造成光线扭曲，误码率上升带宽大大下降。因此即使使用了高带宽的激光光源如果配合使用了传统多模光纤的话也无法支持10Gb/s的系统。

图2：传统多模光纤与激光器优化多模光纤折射率分布图
激光器优化光纤：设计、制造、测试与认证都基于激光器系统

为了克服中心缩孔的问题，必须将多模光纤中心部位的折射率分布对激光传输进行优化。1998年康宁公司在业界率先推出了针对激光传输优化的多模光纤产品。在图2中可以看到，激光传输最优化的折射率分布已经将中心缩孔问题完全消除。

除了中心缩孔的问题，激光器优化光纤与传统光纤另一个最大的区别是它们都是用激光系统进行测试与认证的。用激光系统测试与认证是保证光纤与各种激光收发器系统配合使用时性能的必要保证。

为什么选择50mm规格的多模光纤？

通过使用正确的激光度量方法我们可以生产62.5 mm与50 mm两种规格的激光器优化多模光纤，然而50 mm规格的多模光纤有一个巨大的优势在于它的特殊设计可以在850nm窗口提供比62.5 mm规格的光纤更高的带宽值，这使得它可以更好地配合低成本的VCSEL激光收发器而无需昂贵的1300 nm Fabry Perot激光收发器或者分布反馈式激光收发器。特别是最新的50 mm激光器优化多模光纤，其带宽可达传统62.5 mm光纤的10－20倍。此外，50 mm多模光纤还因纤芯含有较少的锗而比62.5 mm光纤衰减更低。

50 mm规格激光器优化光纤中性能最高的品种是符合ISO 11801标准（又被称为TIA/EIA 492AAAC-A与IEC 60793-2-10 A1a.2类标准）被称为OM3光纤的产品。OM3光纤是为保证10 Gb/s传输至少300米而设计的，其最小有效模带宽达到2000 MHz.km。此外，还可以见到具有更高带宽的增强型的"OM3+"光纤，它可以提供或者更长的链路或者更高的系统余度从而可以接受更多的系统损耗，如更多的接头等

LED与激光器在多模光纤中的性能特性

一根光纤的高速率性能取决于被激发模的传输时延与能量在各个模上的分布。因此，传统多模光纤（为配合LED光源所设计）所使用的传输特性度量方法叫"满注入带宽（OFL）"来模拟LED的光源耦合特性。而激光光源的耦合特性是完全不同的，因此激光器优化光纤就需要全新的度量方法。

目前有多种激光传输特性的度量技术存在：差分模时延 differential mode delay (DMD)，限模注入 restricted mode launch (RML)与最小有效模带宽计算方法minimum calculated effective modal bandwidth (minEMBc)。RML带宽度量方法是最先被纳为标准的(TIA-455-204)激光器优化光纤度量方法，适用于度量带宽为1 Gb/s的系统。对于高达10 Gb/s的系统，必须使用业界最新的最准确的minEMBc方法。minEMBc的标准号是TIA/EIA 455-220与IEC 60793-1-49，并成为唯一基于DMD技术的高带宽与链路长度精确度量方法，而其它的度量方法仅能提供一个是否能支持10 Gb/s传输300米的估计。而未经minEMBc方法度量的激光器优化光纤的10 Gb/s传输性能不能绝对保证。

结论

当今的企业网与局域网需要支持1 Gb/s或者更高速率以适应千兆、万兆以太网，Fiber Channel等应用。因此，最高速率只有622 Mb/s的LED已经被激光取代，特别是850nm的VCSEL，而激光器优化光纤也逐渐取代传统光纤来为用户提供低成本高性能的解决方案。然而不是所有的激光器优化多模光纤都具有同样的性能。外部气相沉积OVD方法可以较好地解决中心缩孔的问题并能提供良好的轴向均一性，而用改进化学气相沉积方法MCVD与等离子化学气相沉积PCVD方法在解决这方面的问题上就相对困难。精确度量万兆系统的方法是minEMBc。康宁公司使用minEMBc来度量其10 Gb/s InfiniCorÒ系列激光器优化多模光纤，并且是唯一对每卷光纤都进行激光性能测试以确保性能的厂家。

参考文献

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®ion=na&language=en

技术资料来源

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