多模光纤的进展、带宽测量及其规范
MMF’s Evolution, Bandwidth Measurement and Its Specification
陈炳炎 江苏七宝光电集团公司总工程师
(摘要) 本文叙述多模光纤从以LED为光源的OM1,OM2光纤到激光优化的OM3,OM4光纤的进展; 介绍用于10Gb/s以太网,波长为850nm的VCSEL激光优化的OM3,OM4光纤带宽测量方法; 以及多模光纤的技术规范。 (一) 多模光纤的进展
1976年由康宁公司开发的50/125 ?m渐变折射率多模光纤和1983年由朗讯Bell实验室开发的62.5/125?m渐变折射率多模光纤，是两种用量较大的多模光纤。这两种光纤的包层直径和机械性能相同，但传输特性不同。它们都能提供如以太网、令牌网和FDDI协议在标准规定的距离内所需的带宽，而且都能升级到Gb/s的速率。
ISO/IEC 11801所颁布的新的多模光纤标准等级中，将多模光纤分为OM1，OM2，OM3，OM4四类。其中OM1, OM2是指传统的62.5/125?m 和50/125?m多模光纤; OM3和OM4是指新型的50/125?m万兆位多模光纤。
(1) 62.5/125?m渐变折射率多模光纤（OM1,OM2）
常用的62.5/125?m渐变折射率多模光纤是指IEC－60793－2光纤产品规范中的Alb类型。由于62.5/125?m光纤的芯径和数值孔径较大，因而具有较强的聚光能力和抗弯曲特性，特别是在20世纪90年代中期以前，局域网的速率较低，对光纤带宽的要求不高，因而使这种光纤获得了最广泛的应用，成为20世纪80年代中期至90年代中期的十年间在大多数国家中数据通信光纤市场中的主流产品。分属OM1和OM2的Alb类型光纤的满注入功率（OFL）带宽分别为200/500 MHz.km (850/1300 nm)和500/500 MHz.km (850/1300 nm)。 (2) 50/125μm渐变折射率多模光纤（OM1,OM2）
普通的50/125?m渐变折射率多模光纤是指IEC－60793－2光纤产品规范中的Ala.1类型。历史上，为了尽可能地降低局域网的系统成本，普遍采用价格低廉的LED作光源，而不用价格昂贵的LD。由于LED输出功率低，发散角比LD大很多，而50/125?m多模光纤的芯径和数值孔径都比较小，不利于与LED的高效
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耦合，不如芯径和数值孔径大的62.5/125?m（Alb类）光纤能使较多的光功率耦合到光纤链路中去，因此，50/125?m渐变折射率多模光纤在20世纪90年代中期以前不如62.5/125?m（Alb类）光纤那样得到广泛的应用。
自20世纪末以来，局域网向lGb/s速率以上发展，以LED作光源的
62.5/125?m多模光纤的带宽己经不能满足要求。与62.5/125?m多模光纤相比，50/125?m多模光纤数值孔径和芯径较小，50/125?m渐变折射率多模光纤中传导模的数目大约是62.5/125?m多模光纤中传导模的1/2.5，因而有效地降低了多模光纤的模式色散，使得带宽得到了显著的增加。50/125?m多模光纤的制作成本也降低约1/3。因此，使它重新得到了广泛的应用。IEEE802.3z千兆位以太网标准中规定50/125?m多模和62.5/125?m多模光纤都可以作为千兆位以太网的传输介质使用。但对新建网络，一般首选50/125?m多模光纤。分属OM1和OM2的Ala.1类型光纤的满注入功率（OFL）带宽分别为200/500 MHz.km (850/1300 nm)和500/500 MHz.km (850/1300 nm)。
(3) OM3光纤
传统的OM1和OM2多模光纤从标准上和设计上均以LED方式为基础，随着工作波长为850 nm，低价格VCSEL(垂直腔体表面发射激光器)的出现和广泛应用，850nm窗口重要性增加了。VCSEL能以比长波长激光器低的价格给用户提高网络速率。50/125?m多模光纤在850nm窗口具有较高的带宽，使用低价格VCSEL能支持较长距离的传输，适合于千兆位以太网和高速率的协议，支持较长的距离。随着网络速率和规模的提高，调制速率达到 10Ｇb/s的短波长VCSEL激光光源成为高速网络的光源之一。由于两种发光器件的不同，必须对光纤本身进行改造，以适应光源的变化。为了满足10 Ｇb/s传输速率的需要，国际标准化组织/国际电工委员会（ＩＳＯ/ＩＥＣ）和美国电信工业联盟（ＴＩＡ）联合起草了新一代纤芯为50?m的多模光纤的标准。ＩＳＯ/ＩＥＣ在其所制定的新的多模光纤等级中将新一代多模光纤划为0M3类别(IEC标准为A1a.2)。
(4) OM4光纤
是一种激光优化型纤芯为50?m的多模光纤，目前OM4(IEC标准为A1a.3)标准确定的指标实际是一种OM3多模光纤的升级版。OM4标准与OM3光纤相比，只是在光纤带宽指标做了提升。即OM4标准在850nm波长的有效模式带宽（EMB）和满注入带宽（OFL）相比OM3 光纤都做了提高。
IEC 60793-2-10中多模光纤的最新分类方法与ISO/IEC11801的对应关系如表1所示:
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项目 分类名称 芯径 IEC分类对应关系 满注入条件下最小模式带宽850nm(MHz.Km) 满注入条件下最小模式带宽1300nm(MHz.Km) 最小有效模式带宽850nm(MHz.Km) 表1 IEC60793-2-10与ISO/IEC11801多模光纤分类的对应关系 GB/T12357.1 IEC60793-2-10 A1b 62.5 100 ? 800 200 ? 1000 未定义 A1a.1 A1a.2 A1a.3 50 200 ? 800 200 ? 1200 未定义 2000 4700 未定义 未定义 2000 4700 500 500 500 500 500 500 50 1500 50 3500 OM1 50 A1a.1 62.5 A1b ISO/IEC 11801 OM2 50 A1a.1 62.5 A1b OM3 50 OM4 50 A1a.2 A1a.3 1500 3500 200 500 10G以太网使用LD（Laser Diode）作为光源和多模光纤为传输媒介。为了在850nm波长窗口在多模光纤上达到300米以上的传输距离，标准TIA/EIA-455-203和TIA/EIA-4Array2AAAC分别对注入条件和光纤的性能进行了定义。其中要求入纤光功率分布符合FOTP-203标准。标准TIA/EIA-4Array2AAAC规定了850nm波长激光优化的50/125mm梯度折射率多模光纤的具体指标。对光纤带宽的要求为：在满注入OFL（Over-Filled Launch）条件下（TIA/EIA-455-204），850nm的OFL带宽大于等于1500MHz?km，1300nm的OFL带宽大于等于500MHz?km。同时对纤芯的微分模延迟DMD (Differential Mode Delay) 测试（TIA/EIA-455-220）必须在所给出的模板范围内。
多模光纤的满注入OFL（Over-filled Launch）带宽反映的是对光纤在LED光源环境下的带宽性能指标，测试时，多模光纤的所有传导模式均被激发。而激光优化多模光纤的DMD测试必须遵从TIA/EIA-455-220标准。该标准定义了DMD测试的整个过程，包括光源，定位装置，接收系统以及测试程序。标准要求注入待测光纤的光斑必须是单模的，在850nm波长，其模场直径约在5?m，而且对光脉冲的时域脉宽和谱宽也做了详细的规定。总之，单模的，足够短，以及窄谱宽的光脉冲是好的。同时对定位系统的精度，注入脉冲的耦合条件，以及接收系统的线性和响应也给出了各自的要求。需要专门的DMD测试装置。
根据IEEE802.3ae标准，当光源的功率分布符合TIA/EIA-455-203 标准，同时多模光纤的性能符合TIA/EIA-4Array2AAAC标准时，在850nm波长，保证光纤的有效带宽EBW（Effective Bandwidth）大于2000MHz?km，在10Gb/s的网络系统中达到300米以上的传输距离。
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(二) 多模光纤的带宽测量
传统的多模光纤以LED为光源, 多模光纤的满注入OFL（Over-filled Launch）带宽反映的是对光纤在LED光源环境下的带宽性能指标，通常可用时域（脉冲展宽）和频域(扫频)方法测量其带宽, 并可通过富里哀变换进行相互转换。随着网络速率和规模的提高，调制速率达到10Ｇb/s的短波长850nm 的VCSEL激光光源成为高速网络的光源之一,因而OM3光纤的注入条件与LED光源完全不同,故需开发出VCSEL激光优化光纤带宽的新的测量技术和方法。
TIA FO 4.2.1使用了DMD测试程序以确保2000 MHz.km的有效模式带宽（EMB）的需要。 基于DMD测试的方法有两种: DMD模板法和有效模式带宽计算法, 分别介绍如下:
（A）DMD模板 (DMD Mask) 法: 如图1所示：以模斑尺寸为5?m的高功率的单模激光光源发射的短脉冲以最大不超过2 ?m的增量扫描通过50/125 ?m的激光优化多模光纤的纤芯，相应于每个径向偏移位置r的输出脉冲响应为U?r,t?,得到数据可以用微分模式延迟来表达。因此, DMD技术可以得到被测光纤的模式延迟结构的详细信息。然后将输出脉冲响应U?r,t?通过计算分析,归一化到脉冲最大幅度的25%电平, 此电平定义了每个脉冲起始和终止位置, 以便用于模板试验的目的。若此归一化时延输出响应能完全落入标准化组织制定的几种标准模板之一的模板框中, 即能通过DMD模板测试, 根据标准，被测光纤具有2000 MHz.km的有效模式带宽，即可判定属OM3光纤, 否则将退属为OM2光纤。 DMD模板的方式只能提供 “通过”或“失败”的判定。每组模板(mask)规定了每个径向偏移位置上的快慢时延的界限条件。图2,3,4, 分别为IEC 60793-2-10 2011规定的用于A1a.2(OM3)光纤的DMD模板数据及模板; 用于A1a.2(OM3)光纤的DMD间距模板数据。
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图1 DMD模板测试原理
图2 用于A1a.2(OM3)光纤的DMD模板数据
图3 用于A1a.2(OM3)光纤的DMD模板
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