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多模带宽

时间:2018-05-10 13:36:42

 短距离数据中心和企业网一般使用多模光纤连接网络设备。多模光纤具有优越于其它媒介如铜线和单模光纤的好处,可提供在此类应用中常见的短距上成本最为有效的高容量连接。它相比铜线有显著的更高带宽或信息承载能力,同时可以使用低成本的基于VCSEL的光应用,而此VCSEL应用却不能应用在小芯径的单模光纤上。由于光器件成本的缘故,对于短距应用多模光纤仍然比单模光纤更加经济。

OFS公司自AT&T贝尔实验室起即在多模行业是业界领先者。OFS在上世纪九十年代末及本世纪初,在激光优化的OM3OM4多模光纤的发展中扮演了关键角色,并且在OM5宽频多模光纤的发展中起到了至关重要的作用。

一个最重要的多模光纤指标是带宽,它定义了光纤承载信息容量。OFS在发展与对精确提供光纤带宽值(与被观测系统性能一致)做标准化的新型和创新性方法上起到了引领作用。本篇文章解释了多模光纤带宽,它如何测量,以及它怎样与光纤实际性能相关。

当信号通过光纤传送时,带宽决定了光脉冲发散量。带宽测量对信号的发送和接收都敏感。结果就是,有多种不同的带宽定义,也有不同测量多模光纤带宽的方法。理解带宽如何被确定以及在今天的激光器应用中哪种带宽测量是适合的都非常重要。

多模光纤如何工作


 多模光纤中,光通过一系列不同路径、或者说模式,被承载。一根理想的阶跃折射率多模光纤对不同路径长度做补偿,办法是给在光芯附近(图一,红色)短路径上行进的模式降速,而对行进更长距离的光(图一,绿色)增速。在理想光纤中,所有模在同一时间抵达接收器。但事实上,补偿不会完美,所有模到达时间稍微不同,引起脉冲扩散。这种扩散叫做模式色散,与带宽成反比。

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模通过多模光纤在光脉冲中传送。因为光纤无法完美补偿链路的行进时间,脉冲会展宽(图二)。

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如果光脉冲彼此太近(较高的传输率)或者光纤模式/波长带宽低,脉冲会混合一起,使得检测器不可能分解出信号(图三)。

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脉冲扩展(色散)由两个主要因素引起,模式色散和波长色散。波长色散的发生是由于多模光源(VCSEL)不能发射单波长光。长波以稍快速度行进,引起脉冲展宽。多模光纤的波长色散是光纤构成的作用,虽然它的量值随波长变化,但在所有多模光纤中是相对类似的。模式色散被光纤折射率分布所控制。光纤设计要考虑对每个模式行进的不同距离做补偿,但是光纤的小缺陷却导致一些脉冲展宽。扩展量限制了脉冲达到的间隔能够有多近,相应地,即在给定时间内有多少比特可以被传送。模式带宽度量了一根光纤折射率分布的品质,更高的带宽反映了更高品质的光纤。

满溢发射(OFL)带宽

1998年以前,多模光纤传输系统多数使用LED光源。这些光源以光充满多模光纤,“满溢”其中。换句话说,光源完全填充了光纤中所有可能的模式路径(图四)。因为每个模式平等填充,带宽性能平等依赖于每个模式,给定光纤则独立于使用的LED,展现出统一的、可重复的性能。满溢带宽,有时特指满溢模式带宽(OMB),对所有LED光源下一根多模光纤承载容量的信息进行定量,因为它们提供了一致的发射。LED光源一般使用在低速率(<1Gb/s〉应用中,因为LED光源相比激光器光源的宽频谱会造成波长色散限制。

 图片4.png图片5.png


                                           Encircled Power                                                                                        3D Power Map  

                                                                                       图四 LED发射

有效模式带宽(激光器带宽)

随着110Gb/s应用的到来,VCSEL光源引入使用。由于VCSEL光源相比LED具有更窄的频谱宽度,色散大大减小。可是新问题出现了。VCSEL不能在整个多模光芯上提供统一的光。情况是,发射光“未充满”,并非所有模式平均激发(图五)。发射随VCSEl而不同,所以基于一个VCSEL的光纤链路的带宽可能和同根光纤基于另一个VCSEl的不同。这意味着满溢带宽(OMB)值并不能够准确反映基于VCSEL光源的系统性能。因此,开创出来一种新方法,用来决定基于激光器的带宽。

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                             Encircled Power                                                3D Power Map

                                                      图五 VCSEL发射

差分模式时延(DMD)发展成用来测量有效模式带宽(EMB),常常指多模光纤的“激光器带宽”。在DMD测试中,窄的、高功率的激光器脉冲以12微米的台阶在光纤整个纤芯中传送。在每一台阶只有一部分模式被激发,然后它们的相对到达时间被记录下来(图六)。光纤DMD就是所有台阶中所有模式最早与最晚到达时间之差。图六标出的右面DMD显示了脉冲几乎精确的对准,表明OM4光纤的低DMD数值。而左面展示了一些对准差,足以将光纤降级为OM3的带宽。

TIAIEC标准允许两种方式使用DMD测试结果验证激光器带宽:1DMD掩板法,2EMBc法。两种方法皆要求DMD测试-差别在于数据如何使用和解释。DMD掩板法是直接比较DMD测试结果与一套标准(称为模板或掩板) ,以观光纤是否具有必需性能的直接过程方法。它是一种直接法-如果光纤通过了这些DMD要求,则它符合标准。


 多模带宽 图6.png

 EMBc方法采用DMD结果,并将它们与一套理论的代表所有合乎要求的VCSEL可能的辐射状功率分布的“权重函数”进行比对。DMD结果算术地结合10个权重函数的每一个。这样产生10个不同的计算的EMB数值。最低值(称为minEMBc)乘以系数1.13则得出光纤的EMB值。如果EMB  4700 MHz-km,则光纤满足OM4要求,而EMB  2000 MHz-km则满足OM3指标。有一点很重要,EMBc数值并不必然反映所有VCSEL链路性能。实际上,它表示了用来模拟所生产的VCSEL10VCSEL最坏预期性能。在有些情况下,给定链路的实际性能可能比EMBc值显示的好得多。

OFS使用DMDEMBc两种方法归类LaserWave® FLEX 550 (OM4)  LaserWave FLEX 300 (OM3)光纤,提供给业界全球标准的强有力验证。

OM5多模光纤和波分复用

光纤带宽与传输波长有关。激光器优化OM3OM4多模光纤为了850nm应用的最大带宽而设计和优化。在更高或更低的波长下,带宽减小。

为了在更宽波长范围内保持更高的带宽性能, OM5宽频多模光纤被推出。OM5光纤利用波分复用(WDM)传输协议,譬如BiDi SWDM4™收发器。这些设备在单根多模光纤上传送多波长,以增加数率却无需使用更多光纤。这与单模光纤在CWDMDWDM系统上使用的技术相同。

业界标准采用OM5作为认可的多模光纤标准。它可支持在850-950nm范围四波长运行25Gb/s 进行100Gb/s传输。TIA-492AAAE是宽频多模光纤的第一个标准,于20166月颁布。之后,OM5被加入TIA 布线标准, TIA-568.3-D。国际标准随之而来:IEC-60793-2-10公布,201711ISO/IEC 11801-1布线标准发布。TIA-492AAAE  IEC 60793-2-10包含了在850nm953nmEMBOMB指标,以及光器件生产商在设计收发器时使用的840nm-953nm范围内EMB性能的指导原则。

  OFSLaserWave WideBand光纤满足并超出TIAIEC对于OM5宽频光纤的要求。它支持现有WDM应用,包括BiDi  SWDM4应用,是为支持未来WDM产品而设计的。

IEEE 802.3下一代多模光纤研究组的工作已经开始,正在研究使用更少多模线对,支持200400Gb/s的以太网标准的发展。这个小组将对把WDM解决方案包含进以太网标准进行评估。

这些方案提供了一根多模光纤之信息承载容量的下一步发展:在今天的应用中,一个链路上把波长数从一个增加至多达四个。

结论:

多模光纤在继续演进,支持企业网和数据中心网络的最新网络速率。通过利用技术增长优势获取的光器件发展与光纤相结合,多模技术始终保持着提供最成本有效的短距连接的能力。光纤带宽是其中的关键部分。

对不同类型光源,有两种不同的模式带宽测量方法。旧的传统的LED系统,速率低于1Gb/s的,适用满溢带宽(OFL)。新型的基于激光VCSEL的系统,使用有效模式带宽(EMB)来决定多模光纤的性能。OFL不能用来决定光纤的基于激光器的性能 ,或EMB。测定必须使用DMD,以及运用一套掩板或者基于10个权重函数来计算EMB这两种取其一的方法。对于如今的激光器系统,EMB是关键的带宽参数,而不是OFL

  在一个波长范围内以EMB为特性的下一代多模WDM光纤的新标准已经出来。使用多模WDM的光解决方案已成为现实,IEEE已经开始关注把这一新技术吸收进短距离多模解决方案。



  OFS Fitel  John Kamino,张湃
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