小芯徑漸變折射率單模多模通用光纖研究

2020-11-27 通信世界網

摘要：本文介紹了一種新型的抗彎小芯徑漸變折射率單模多模通用光纖，該光纖能夠同時支持在850nm至950nm波段的100G多模傳輸和1270 nm 至1330 nm的100G單模傳輸。

關鍵詞：漸變折射率；小芯徑；抗彎；多模傳輸；單模傳輸；單模多模通用；數據中心；5G前傳

1. 前言多模光纖和垂直腔面發射雷射器（VCSEL）多模光模塊、單模光纖和單模光模塊均可用於數據中心。其中，受益於VCSEL光模塊較低的成本和功耗，多模傳輸系統在短距離傳輸場景中佔主導地位[1]。由於多模光纖的傳輸速率和傳輸距離受到模間色散和色度色散的限制，隨著新型超大型數據中心對帶寬和傳輸距離要求的進一步提高，多模光纖系統在中長傳輸距離的場景應用受限。單模光纖能夠實現更大的數據傳輸速率和更遠的傳輸距離，但由於單模光模塊的高成本和單模傳輸系統的高功耗，在部署新的數據中心時，運營商經常面臨多模光纖和單模光纖之間的選擇。選擇合適的光纖不僅是一項財政決策，也是一項戰略性技術決策。

多模和單模傳輸系統各有各的優點和缺點，在當前情況下，使用多模光纖和便宜的VCSEL光源進行短距離組網建設是合理的，但如果網絡需要進一步提速升級至1310nm波長時，就需要改造成單模傳輸系統，重新鋪設單模光纖光纜或者鋪設單模、多模光纖混合纜將大大增加投入成本。

為了解決上述問題，設計一種可以同時支持多模和單模傳輸的光纖是可行性較高的方法。這種光纖不僅能夠滿足短距離、低成本多模傳輸，也能夠匹配單模光模塊實現高速率、遠距離傳輸，可以大大降低網絡運營和升級改造費用，因此小芯徑漸變折射率單模多模通用光纖應運而生。

小芯徑漸變折射率單模多模通用光纖能夠同時支持多模傳輸和單模傳輸，能夠簡化光纖光纜的管理並降低未來帶寬升級的成本。較小的芯徑還可以降低帶寬對波長的敏感度，這意味著該光纖可以支持短波長波分復用（SWDM）的多模傳輸。這種單模多模通用的小芯徑漸變折射率光纖可以用於數據中心和5G前傳之中。此外，小芯徑漸變折射率光纖還可以製備成多芯光纖，支持空分復用，以滿足未來帶寬進一步升級的需求。

本文成功製備出一種新型的抗彎小芯徑漸變折射率單模多模通用光纖，介紹了該光纖的設計、製備以及主要性能參數，並通過傳輸實驗，證明該光纖能夠同時支持在850nm至950nm波段的100G多模傳輸和1270 nm 至1330 nm的100G單模傳輸。

2. 光纖的設計及其製備小芯徑漸變折射率單模多模通用光纖（SDF）具有類似於常規漸變折射率多模光纖芯層的α折射率分布，但其芯層直徑小於50um，該光纖的折射率分布示意圖如圖1所示。應用於如LAN、數據中心等場景，IEC 60793-2-10標準要求A1a.3b/A1a.4b多模光纖具有較小的宏彎損耗，如以7.5mm為半徑彎曲2匝時在850nm處宏彎損耗小於0.2dB，在1300nm處小於0.5dB。因此小芯徑漸變折射率單模多模通用光纖在外包層中增加了低折射率的下陷層，以減小其宏彎損耗。此外，剖面還對小芯徑漸變折射率單模多模通用光纖的基模LP01模場直徑（MFD）進行了優化，以匹配用於單模傳輸系統的標準單模光纖的模場直徑。

圖1單模多模通用光纖的折射率剖面示意圖

採用等離子體化學氣相沉積（PCVD）的工藝製備光纖預製棒，可以更精確地控制其剖面的折射率分布，製備出的抗彎小芯徑漸變折射率單模多模通用光纖的主要性能參數如表1所示。

表1 製得的小芯徑漸變折射率單模多模通用光纖的主要性能參數

3. 傳輸實驗小芯徑漸變折射率單模多模通用光纖能夠支持850nm到950nm之間的多模傳輸以及1270nm到1330nm之間的單模傳輸。採用EXFO的網絡分析儀（ONT）[2]和單模或多模光模塊對小芯徑漸變折射率單模多模通用光纖的傳輸性能進行測試，傳輸測試平臺如圖2所示。接受光功率由可變光衰減器（VOA）調節。

圖2 傳輸實驗測試平臺示意圖

傳輸性能測試中採用的光模塊都是商用的100G單模和多模光模塊，實驗所用的光模塊如表2所示

表2 傳輸實驗所用光模塊

3.1 多模傳輸100G SR4採用Finisar的100GBASE-SR4光模塊[3]測試小芯徑漸變折射率單模多模通用光纖在850 nm處的多模傳輸性能。該光模塊符合IEEE 802.3bm標準，並行傳輸4個獨立的25 Gb/s通道，可以支持OM4多模光纖傳輸100 m，總體數據速率為100 Gb/s。本實驗中只使用一個通道，傳輸實驗使用MPO連接器連接光模塊與芯徑為50 um的多模尾纖，多模尾纖與待測的小芯徑漸變折射率單模多模通用光纖熔接。傳輸實驗測試了相同長度450m的小芯徑漸變折射率單模多模通用光纖和OM4多模光纖，以對比新型光纖和傳統多模光纖的傳輸性能。450 m的小芯徑漸變折射率單模多模通用光纖的鏈路損失為1.5 dB。

測量的誤碼率（BER）與接收光功率的曲線如圖3所示。小芯徑漸變折射率單模多模通用光纖傳輸450m後，誤碼率為2.8×10−8，仍低於IEEE 802.3bm標準規定的5×10−5的FEC閾值。另外，450m的OM4多模光纖的誤碼率曲線與小芯徑漸變折射率單模多模通用光纖基本重合，表明小芯徑漸變折射率單模多模通用光纖和OM4多模光纖的傳輸性能基本相當。

圖3 100G SR4光模塊的BTB曲線、小芯徑漸變折射率單模多模通用光纖和OM4多模光纖的誤碼率曲線

3.2 多模傳輸100G SWDM4利用短波波分復用技術將多模傳輸時所用的波長範圍從傳統的多模光纖的850 nm擴展至850 nm ~950 nm，在一根多模光纖上支持四個波長傳輸數據，可以把需要的光纖芯數降低為原來的1/4。採用Finisar的100GE SWDM4光模塊[4]測試小芯徑漸變折射率單模多模通用光纖在850~950 nm範圍內的傳輸性能。該光模塊的4個25Gb/s的信道分別位於約850nm、880nm、910nm和940nm的4個波長處，通過OM3/OM4 多模光纖的設計傳輸距離可達75/100米，其光譜圖如圖4所示。使用帶有LC接頭的多模尾纖連接光模塊和小芯徑漸變折射率單模多模通用光纖，傳輸實驗時一根光纖上4個波長同時傳輸數據。小芯徑漸變折射率單模多模通用光纖的各個通道的鏈路損耗約為4.9 dB。

圖4 100GE SWDM4光模塊的光譜圖

圖5顯示了100GE SWDM4光模塊測試的誤碼率與接收光功率曲線。經過200 m小芯徑漸變折射率單模多模通用光纖傳輸，四個通道的誤碼率遠低於IEEE 802.3bm標準規定的5×10-5的FEC閾值，表明小芯徑漸變折射率單模多模通用光纖可以支持100G SWDM4無誤碼傳輸200 m。

圖5 100GE SWDM4的四個通道的誤碼率曲線

3.3 單模傳輸100G PSM4100G PSM4光模塊有4個獨立的全雙工通道，單通道的傳輸速率為25Gb/s，採用MTP接口（8芯），和單模光纖一起使用時傳輸距離可達500m。採用本模塊對小芯徑漸變折射率單模多模通用光纖在1310nm處的單模傳輸特性進行了測試。實驗中只使用了一個通道。將3500m的小芯徑漸變折射率單模多模通用光纖兩端與單模尾纖分別熔接，帶MPO接頭的單模尾纖再與光模塊MPO連接器接口連接，包括3500 m光纖的衰減在內的鏈路損耗為1.8 dB。

圖6顯示了BTB和3500 m的小芯徑漸變折射率單模多模通用光纖誤碼率與接收光功率的關係曲線。3500m的小芯徑漸變折射率單模多模通用光纖的誤碼率曲線與BTB的誤碼率曲線非常相近，可以實現無誤碼傳輸，這遠大於單模光纖500m的最大傳輸距離。

圖6 100G PSM4的誤碼率曲線

3.4 單模傳輸100G CWDM4採用100G CWDM4單模光模塊測試光纖在1270~1330 nm的單模傳輸性能。通過粗波分復用（CWDM）技術， CWDM4光模塊將1271nm、1291nm、1311nm和1331nm四個波長復用到一根光纖上進行傳輸，其光譜圖如圖7所示。它符合QSFP28 MSA、CWMD4 MSA[5]以及IEEE P802.3BM的相關部分標準，封裝類型為QSFP28，速率為103.1 Gbps，其支持的最遠傳輸距離為2 km，接口為LC雙工。7000 m的小芯徑漸變折射率單模多模通用光纖的兩端與帶LC連接器的G.652D 單模尾纖熔接，再與光模塊LC接口連接。包含光纖在1310nm處約為0.44 dB/km的光纖衰減在內，0～3通道的鏈路損耗分別為3.9 dB、3.5 dB、3.4 dB和3.2 dB。

圖7 100G CWDM4光模塊的光譜圖

圖8顯示了BTB和7000 m的小芯徑漸變折射率單模多模通用光纖的四個通道的BER與接收光功率的關係曲線。經過7000 m的單模傳輸的誤碼率曲線接近於BTB的曲線，仍是無誤碼的，表明小芯徑漸變折射率單模多模通用光纖可以支持100G CWDM4單模傳輸7000 m。

圖8 100G CWDM4光模塊四個通道的誤碼率曲線

4. 結論 我們設計並製備了一種新型的抗彎小芯徑漸變折射率單模多模通用光纖，該光纖支持在850~950 nm波段的多模傳輸，同時支持1270~1330 nm範圍內的單模傳輸。100G SR4和100G SWDM4 光模塊的多模傳輸距離分別為450m和200m，100G PSM4和100G SWDM4的單模傳輸距離可達3500m和7000m。這種光纖對於數據中心和5G前傳而言，是一種潛在的、切實可行的傳輸媒介。

5.  致謝感謝Finisar為我們提供的100GBASE-SR4和100GE SWDM4光模塊。

6. 參考文獻[1]     X. Chen, J. E. Hurley, A. R. Zakharian, J. S. Stone, W. A. Wood, B. Chow, et al., 「Multimode and single-mode transmission over universal fiber for data center applications,」 Optical Fiber Technology, vol. 44, pp. 53-60, 2018.

[2]     https://www.exfo.com/en/products/field-network-testing/network-protocol-testing/ethernet-testing/ftbx88200nge-power-blazer/

[3]     https://www.finisar.com/optical-transceivers/ftlc9551repm

[4]     https://www.finisar.com/optical-transceivers/ftlc9152rgpl

[5]     http://www.cwdm4-msa.org/

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