1. 多模光纖歷史
多模光纖是最早出現的實用化的光纖,其較大的纖芯半徑和較高的數值孔徑在70年代配合當時的LED光源一起組成了第一代光纖通信系統(tǒng),應用在長途和短距離通信中。隨著單模光纖的出現,多模光纖隨后因為其整體系統(tǒng)的低成本限制在短距離的應用場景中。
最初的多模光纖采用了50um的纖芯直徑和1%的相對折射率差。由于LED的光斑直徑非常大,該設計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。62.5um的多模光纖具有2%的相對折射率差,其數值孔徑也增大,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,由于VCSEL本身的小光斑和數值孔徑特點,1%的相對折射率差的50um纖芯直徑的多模光纖又重新拉回了應用,并廣泛的在短距離光纖通信中一直應用至今。
2. 多模光纖典型設計
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。對于抗彎類型的多模光纖,外部一般采用溝槽設計。
折射率拋物線分布公式如下,相對折射率差為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,有多達19個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進行反映,如果采用LED,則用滿注入帶寬OFL BW來表示。
模式帶寬在標準中定義如下:(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。對帶寬的影響程度看,模式帶寬和材料色散并沒有絕對的大小,要取決于光源。一般來說,LED光源,材料色散是主要鏈路帶寬的限制因素,對于VCSEL來說,目前模式帶寬是鏈路帶寬主要限制因素。
來自光源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,代表了各個模式的光功率在纖芯中的分布。
其EF的分布應該位于下圖的兩個紅框之內,如果EF越過右側紅框,其鏈路帶寬將會明顯下降。
4. 多模光纖鏈路帶寬評估、
利用多模光纖進行布網時,對多模光纖鏈路帶寬的評估非常重要,因為用戶無法逐一對所有VCSEL激光器和所有光纖進行測試。根據多模光纖和VCSEL激光器的規(guī)格參數,進行光纖鏈路帶寬評估有助于實現設計的鏈路帶寬。
IEEE建立了一個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,可以獲取眼圖、鏈路帶寬等預估信息。
www.ieee802.org/3/ae/public/index.html
這里介紹一個更簡單的計算法,下面給出一個有用的根據模式帶寬、色散和VCSEL激光器線寬計算出鏈路帶寬的公式(來自Stefano Bottacchi)。
鏈路帶寬是距離和波長的函數,根據對應波長的有效模式帶寬、色散,VCSEL激光器線寬,可以預估其鏈路帶寬。
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。在長度為300m時,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,多模光纖由于其本身特點,未來幾年可能面臨著無法滿足帶寬速率的增長需求。并且多模光纖本身制造工藝較為復雜,價格高,主要依賴于價格低廉的VCSEL激光器。如果同樣成本的單模VCSEL激光器在未來幾年能普遍應用市場,對多模光纖存在或許將形成威脅。
多模光纖的未來應該充分利用其多模的自身特點擴展應用范圍。如果未來能客服這一點,或許歷史將迎來螺旋式發(fā)展,從多模到單模,再回到多模的普遍應用。
本文來源:微信公眾號“Fiber Technology”,作者 Mark Guo