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(xiàn)，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(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，由于VCSEL本身的小光斑和數(shù)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(jù)多模光纖和VCSEL激光器的規(guī)格參數(shù)，進行光纖鏈路帶寬評估有助于實現(xiàn)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(shù)，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(jù)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(shù)，根據(jù)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