多模光通信鏈路帶寬

  1. 多模光纖歷史

  多模光纖是最早出現(xiàn)的實(shí)用化的光纖，其較大的纖芯半徑和較高的數(shù)值孔徑在70年代配合當(dāng)時(shí)的LED光源一起組成了第一代光纖通信系統(tǒng)，應(yīng)用在長(zhǎng)途和短距離通信中。隨著單模光纖的出現(xiàn)，多模光纖隨后因?yàn)槠湔w系統(tǒng)的低成本限制在短距離的應(yīng)用場(chǎng)景中。

  最初的多模光纖采用了50um的纖芯直徑和1%的相對(duì)折射率差。由于LED的光斑直徑非常大，該設(shè)計(jì)的多模光纖不能有效的捕獲LED的光能量，于是62.5um的多模光纖被開發(fā)出來(lái)。62.5um的多模光纖具有2%的相對(duì)折射率差，其數(shù)值孔徑也增大，LED發(fā)出的光更多的被耦合到多模光纖中。在90年底中期，低成本的VCSEL激光器被開發(fā)出來(lái)，由于VCSEL本身的小光斑和數(shù)值孔徑特點(diǎn)，1%的相對(duì)折射率差的50um纖芯直徑的多模光纖又重新拉回了應(yīng)用，并廣泛的在短距離光纖通信中一直應(yīng)用至今。

  2. 多模光纖典型設(shè)計(jì)

  常規(guī)的多模光纖的折射率分布采用拋物線或近拋物線形狀，以獲得理想的模式色散。對(duì)于抗彎類型的多模光纖，外部一般采用溝槽設(shè)計(jì)。

  折射率拋物線分布公式如下，相對(duì)折射率差為1%，阿爾法定義了折射率分布的曲率，理想情況下，阿爾法為2，但是由于材料色散的影響，阿爾法應(yīng)該增大，以抵消材料色散的影響。

  3. 多模光纖帶寬影響因素

  影響多模光纖帶寬的主要因素分別來(lái)自光纖和光源。

  光纖的因素主要包括材料色散和模式色散。

  由于多模光纖本身的特點(diǎn)，有多達(dá)19個(gè)模式組可以在多模光纖中傳輸，如果不加以精確控制，其模式之間的色散可能非常大。如果采用VCSEL，模式色散一般通過有效模式帶寬EMB進(jìn)行反映，如果采用LED，則用滿注入帶寬OFL BW來(lái)表示。

  模式帶寬在標(biāo)準(zhǔn)中定義如下：(ISO/IEC 11801和ANSI/TIA-568-C.3)

  光纖的有效模式帶寬和材料色散可以從光纖廠家的光纖規(guī)格書中得到。對(duì)帶寬的影響程度看，模式帶寬和材料色散并沒有絕對(duì)的大小，要取決于光源。一般來(lái)說，LED光源，材料色散是主要鏈路帶寬的限制因素，對(duì)于VCSEL來(lái)說，目前模式帶寬是鏈路帶寬主要限制因素。

  來(lái)自光源VCSEL的因素可以參考其環(huán)通量EF(Encircled flux)，VCSEL的Encircled flux的定義如下，是歸一化的光功率沿著纖芯半徑的積分，代表了各個(gè)模式的光功率在纖芯中的分布。

  其EF的分布應(yīng)該位于下圖的兩個(gè)紅框之內(nèi)，如果EF越過右側(cè)紅框，其鏈路帶寬將會(huì)明顯下降。

  4. 多模光纖鏈路帶寬評(píng)估、

  利用多模光纖進(jìn)行布網(wǎng)時(shí)，對(duì)多模光纖鏈路帶寬的評(píng)估非常重要，因?yàn)橛脩魺o(wú)法逐一對(duì)所有VCSEL激光器和所有光纖進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)多模光纖和VCSEL激光器的規(guī)格參數(shù)，進(jìn)行光纖鏈路帶寬評(píng)估有助于實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的鏈路帶寬。

  IEEE建立了一個(gè)10GbE的系統(tǒng)鏈路模型，該模型可以通過下面的鏈接獲取。通過在電子表格中輸入指定的參數(shù)，可以獲取眼圖、鏈路帶寬等預(yù)估信息。

  www.ieee802.org/3/ae/public/index.html

  這里介紹一個(gè)更簡(jiǎn)單的計(jì)算法，下面給出一個(gè)有用的根據(jù)模式帶寬、色散和VCSEL激光器線寬計(jì)算出鏈路帶寬的公式(來(lái)自Stefano Bottacchi)。

  鏈路帶寬是距離和波長(zhǎng)的函數(shù)，根據(jù)對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的有效模式帶寬、色散，VCSEL激光器線寬，可以預(yù)估其鏈路帶寬。

  比如OM4光纖850nm處的有效模式帶寬為4700MHz.km，材料色散為-69.36ps/nm*km，VCSEL激光器典型線寬為0.6nm。在長(zhǎng)度為300m時(shí)，其鏈路帶寬大概為10.34GHz。

  5. 多模光纖困境

  隨著高帶寬速率的需求增長(zhǎng)，多模光纖由于其本身特點(diǎn)，未來(lái)幾年可能面臨著無(wú)法滿足帶寬速率的增長(zhǎng)需求。并且多模光纖本身制造工藝較為復(fù)雜，價(jià)格高，主要依賴于價(jià)格低廉的VCSEL激光器。如果同樣成本的單模VCSEL激光器在未來(lái)幾年能普遍應(yīng)用市場(chǎng)，對(duì)多模光纖存在或許將形成威脅。

  多模光纖的未來(lái)應(yīng)該充分利用其多模的自身特點(diǎn)擴(kuò)展應(yīng)用范圍。如果未來(lái)能客服這一點(diǎn)，或許歷史將迎來(lái)螺旋式發(fā)展，從多模到單模，再回到多模的普遍應(yīng)用。

  本文來(lái)源：微信公眾號(hào)“Fiber Technology”，作者 Mark Guo