多模光纖的應用優勢、範圍及發展

2020-12-14 電子發燒友

多模光纖的應用優勢、範圍及發展

佚名 發表於 2019-12-31 15:48:17

通信光纖根據其應用波長下傳輸模式數量的不同，分為單模光纖和多模光纖。由於多模光纖芯徑較大，可以配合低成本光源使用，因此在短距離傳輸場景下有著極為廣泛的應用，如數據中心、區域網等。隨著近年來數據中心建設的高速發展，作為數據中心和區域網應用主流的多模光纖也迎來了春天，引起了人們的廣泛關注。

按照標準ISO/IEC 11801規範，多模光纖分為OM1、OM2、OM3、OM4、OM5五個大類，其與IEC 60792-2-10的對應關係，如表1所示。其中OM1， OM2是指傳統的62.5/125mm和50/125mm多模光纖； OM3、OM4和OM5是指新型的50/125mm萬兆位多模光纖。

一、傳統多模光纖

多模光纖的研發始於上個世紀七八十年代，早期的多模光纖包括很多尺寸種類，列入國際電工委（IEC）標準中的尺寸類型包括四種，芯包層直徑分為50/125μm、62.5/125μm、85/125μm和100/140μm。由於芯包層尺寸大則製作成本高、抗彎性能差，而且傳輸模數量增多，帶寬降低，因而較大芯包層尺寸的類型逐漸被淘汰，逐漸形成了兩種主要的芯包層尺寸，分別是50/125μm和62.5/125μm。

在早期的區域網中，為了儘可能地降低區域網的系統成本，普遍採用價格低廉的LED作光源。由於LED輸出功率低，發散角比較大，而50/125mm多模光纖的芯徑和數值孔徑都比較小，不利於與LED的高效耦合，不如芯徑和數值孔徑大的62.5/125mm多模光纖能使較多的光功率耦合到光纖鏈路中去，因此，50/125mm多模光纖在20世紀90年代中期以前不如62.5/125mm多模光纖那樣得到廣泛的應用。

隨著區域網傳輸速率不斷升級，自20世紀末以來，區域網向lGb/s速率以上發展，以LED作光源的62.5/125μm多模光纖僅僅幾百兆的帶寬逐漸不能滿足要求。相比之下，50/125mm多模光纖數值孔徑和芯徑較小，傳導模式也較少，因而有效地降低了多模光纖的模式色散，使得帶寬得到了顯著的增加，由於芯徑較小，50/125mm多模光纖的製作成本也更低，因此重新得到了廣泛的應用。

IEEE802.3z千兆位乙太網標準中規定50/125mm多模和62.5/125mm多模光纖都可以作為千兆位乙太網的傳輸介質使用。但對新建網絡，一般首選50/125mm多模光纖。

二、雷射優化的多模光纖

隨著技術的發展，850nm VCSEL（垂直腔體表面發射雷射器）出現。VCSEL雷射器比長波長雷射器價格更低，同時能夠提高網絡速率，因此獲得了廣泛應用。由於兩種發光器件的不同，必須對光纖本身進行改造，以適應光源的變化。

為了VCSEL雷射器需要，國際標準化組織/國際電工委員會（ISO/IEC）和美國電信工業聯盟（TIA）聯合起草了新一代纖芯為50mm的多模光纖的標準。ISO/IEC在其所制定的新的多模光纖等級中將新一代多模光纖劃為OM3類別（IEC標準為A1a.2），即為雷射優化的多模光纖。

後續出現的OM4光纖，實際是OM3多模光纖的升級版。OM4標準與OM3光纖相比，只是在光纖帶寬指標做了提升。即OM4光纖標準在850nm波長的有效模式帶寬（EMB）和滿注入帶寬（OFL）相比OM3 光纖都做了提高。如下表2所示。

表2 OM3和OM4光纖對比

多模光纖內傳輸模式眾多，隨之還帶來光纖抗彎曲性能的問題，當光纖彎曲時，高階的模式極易洩露出去，造成信號的損失，即光纖的彎曲損耗。隨著室內應用場景不斷增多，多模光纖在狹窄環境下的布線，對其抗彎曲性能也提出了更高要求。

不同於單模光纖簡單的折射率剖面結構，多模光纖的折射率剖面十分複雜，需要極為精細的折射率剖面設計與製作工藝。在目前國際主流的四大預製棒製備工藝中，製備多模光纖最為精密的是等離子體化學氣象沉積（PCVD）工藝，以長飛公司為代表。該工藝不同於其他工藝，其沉積層數多達幾千層，且沉積時每層僅約1微米的厚度，能夠實現超精細的折射率曲線控制，從而實現高帶寬。

通過對多模光纖折射率剖面的優化，現在的彎曲不敏感多模光纖，其抗彎性能有了顯著提升，如下圖1所示。

圖1抗彎多模光纖與常規多模光纖宏彎性能比較

三、新型多模光纖（OM5）

OM3光纖和OM4光纖，都是主要應用於850nm波段的多模光纖。隨著傳輸速率的不斷提升，僅僅單通道的波段設計，會帶來越來越密集的布線成本，隨之的管理維護成本也相應升高。因此，技術人員嘗試將波分復用概念引入多模傳輸系統中，如果能夠在一根光纖上傳輸多個波長，則相應的並行光纖根數和鋪設、維護成本都能大幅下降。在此背景下，OM5光纖應運而生。

OM5多模光纖，是在OM4光纖基礎上，擴寬了高帶寬通道，其能夠支持850nm~950nm波段的傳輸應用。目前主流的應用，是SWDM4和SR4.2設計。SWDM4是4個短波的波分復用，分別是850nm、880nm、910nm和940nm。這樣在一根光纖可以支撐此前4根並行光纖的業務。SR4.2是兩波分復用，主要用於單纖雙向技術。OM5能夠與性能好成本低的VCSEL雷射器配合，以更好的滿足數據中心等短距離通信。下表3是OM4和OM5光纖的主要帶寬指標對比。

表3 OM4和OM5光纖帶寬指標對比

目前，OM5光纖作為一種最新型的高端多模光纖，已有了許多應用案例。其中最大的一個商業案例，是長飛公司和中國鐵路總公司主數據中心的OM5商用案例。該數據中心瞄準了OM5光纖在SR4.2上的波分系統應用優勢，使用最低的成本，實現了最大容量的通信，也為未來進一步升級速率做了準備，未來提升速率至100Gb/s乃至400Gb/s，或者擴寬波段應用時，可以不再更換光纖，能夠顯著降低未來升級成本。

總結：隨著應用的需求不斷提高，多模光纖在朝著低彎曲損耗，高帶寬，多波長復用的方向發展，其中，最具有應用潛力的，當屬OM5光纖，其具有目前多模光纖最優的性能，為未來100Gb/s和400Gb/s的多波長系統提供了有力的光纖解決方案。此外，為適應高速率，高帶寬，低成本的數據中心通信的要求，新型的多模光纖，如單多模通用光纖，也正在研發中。未來，長飛公司將和業內同行一道推出更多的新型多模光纖解決方案，給數據中心和光纖互聯帶來新的突破和更低的成本。

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