多模光纤的发展历程及新型多模光纤解决方案2
更新时间:2020-01-29

  通信光纤根据其应用波长下传输模式数量的不同,分为单模光纤和多模光纤。由于多模光纤芯径较大,可以配合低成本光源使用,因此在短距离传输场景下有着极为广泛的应用,如数据中心、局域网等。随着近年来数据中心建设的高速发展,作为数据中心和局域网应用主流的多模光纤也迎来了春天,引起了人们的广泛关注。

  多模光纤的研发始于上个世纪七八十年代,早期的多模光纤包括很多尺寸种类,列入国际电工委(IEC)标准中的尺寸类型包括四种,芯包层直径分为50/125μm、62.5/125μm、85/125μm和100/140μm。由于芯包层尺寸大则制作成本高、抗弯性能差,而且传输模数量增多,带宽降低,因而较大芯包层尺寸的类型逐渐被淘汰,逐渐形成了两种主要的芯包层尺寸,分别是50/125μm和62.5/125μm。

  在早期的局域网中,为了尽可能地降低局域网的系统成本,普遍采用价格低廉的LED作光源。由于LED输出功率低,发散角比较大,而50/125mm多模光纤的芯径和数值孔径都比较小,不利于与LED的高效耦合,不如芯径和数值孔径大的62.5/125mm多模光纤能使较多的光功率耦合到光纤链路中去,因此,50/125mm多模光纤在20世纪90年代中期以前不如62.5/125mm多模光纤那样得到广泛的应用。

  随着局域网传输速率不断升级,自20世纪末以来,局域网向lGb/s速率以上发展,以LED作光源的62.5/125μm多模光纤仅仅几百兆的带宽逐渐不能满足要求。相比之下,50/125mm多模光纤数值孔径和芯径较小,传导模式也较少,因而有效地降低了多模光纤的模式色散,使得带宽得到了显著的增加,由于芯径较小,50/125mm多模光纤的制作成本也更低,因此重新得到了广泛的应用。

  IEEE802.3z千兆位以太网标准中规定50/125mm多模和62.5/125mm多模光纤都可以作为千兆位以太网的传输介质使用。但对新建网络,一般首选50/125mm多模光纤。

  随着技术的发展,850nm VCSEL(垂直腔体表面发射激光器)出现。VCSEL激光器比长波长激光器价格更低,同时能够提高网络速率,因此获得了广泛应用。由于两种发光器件的不同,必须对光纤本身进行改造,以适应光源的变化。

  为了VCSEL激光器需要,国际标准化组织/国际电工委员会(ISO/IEC)和美国电信工业联盟(TIA)联合起草了新一代纤芯为50mm的多模光纤的标准。ISO/IEC在其所制定的新的多模光纤等级中将新一代多模光纤划为OM3类别(IEC标准为A1a.2),即为激光优化的多模光纤。

  后续出现的OM4光纤,实际是OM3多模光纤的升级版。OM4标准与OM3光纤相比,只是在光纤带宽指标做了提升。即OM4光纤标准在850nm波长的有效模式带宽(EMB)和满注入带宽(OFL)相比OM3 光纤都做了提高。如下表2所示。

  多模光纤内传输模式众多,随之还带来光纤抗弯曲性能的问题,当光纤弯曲时,高阶的模式极易泄露出去,造成信号的损失,即光纤的弯曲损耗。随着室内应用场景不断增多,多模光纤在狭窄环境下的布线,对其抗弯曲性能也提出了更高要求。

  不同于单模光纤简单的折射率剖面结构,多模光纤的折射率剖面十分复杂,需要极为精细的折射率剖面设计与制作工艺。在目前国际主流的四大预制棒制备工艺中,制备多模光纤最为精密的是等离子体化学气象沉积(PCVD)工艺,以长飞公司为代表。该工艺不同于其他工艺,其沉积层数多达几千层,且沉积时每层仅约1微米的厚度,能够实现超精细的折射率曲线控制,从而实现高带宽。

  通过对多模光纤折射率剖面的优化,现在的弯曲不敏感多模光纤,其抗弯性能有了显著提升,如下图1所示。

  OM3光纤和OM4光纤,都是主要应用于850nm波段的多模光纤。随着传输速率的不断提升,仅仅单通道的波段设计,会带来越来越密集的布线成本,随之的管理维护成本也相应升高。因此,技术人员尝试将波分复用概念引入多模传输系统中,如果能够在一根光纤上传输多个波长,则相应的并行光纤根数和铺设、维护成本都能大幅下降。在此背景下,OM5光纤应运而生。

  OM5多模光纤,是在OM4光纤基础上,扩宽了高带宽通道,其能够支持850nm~950nm波段的传输应用。目前主流的应用,是SWDM4和SR4.2设计。SWDM4是4个短波的波分复用,分别是850nm、880nm、910nm和940nm。这样在一根光纤可以支撑此前4根并行光纤的业务。SR4.2是两波分复用,主要用于单纤双向技术。OM5能够与性能好成本低的VCSEL激光器配合,以更好的满足数据中心等短距离通信。下表3是OM4和OM5光纤的主要带宽指标对比。

  目前,OM5光纤作为一种最新型的高端多模光纤,已有了许多应用案例。其中最大的一个商业案例,是长飞公司和中国铁路总公司主数据中心的OM5商用案例。该数据中心瞄准了OM5光纤在SR4.2上的波分系统应用优势,使用最低的成本,实现了最大容量的通信,也为未来进一步升级速率做了准备,未来提升速率至100Gb/s乃至400Gb/s,或者扩宽波段应用时,可以不再更换光纤,能够显著降低未来升级成本。

  总结:随着应用的需求不断提高,多模光纤在朝着低弯曲损耗,高带宽,多波长复用的方向发展,其中,最具有应用潜力的,当属OM5光纤,其具有目前多模光纤最优的性能,为未来100Gb/s和400Gb/s的多波长系统提供了有力的光纤解决方案。此外,为适应高速率,高带宽,低成本的数据中心通信的要求,新型的多模光纤,如单多模通用光纤,也正在研发中。未来,长飞公司将和业内同行一道推出更多的新型多模光纤解决方案,给数据中心和光纤互联带来新的突破和更低的成本。

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