多模光纤的进展及其规范 - 图文(3)

2019-08-31 15:44

对不同速率及连接距离的灵活性和适应性。EMBc方法最初是为10Gb/s以太网开发的,但它也适合其他速率和连接长度的应用,比如用于数据中心的光纤通道。只要针对光源在所选数据速率下的性能确定输入参数,就能用同样的计算方法可靠地预测系统性能。

PK(Photon Kinetics)公司积极参与了TIA和IEC的制订光纤测量标准的活动,并开发出两款相关仪器: 2500 Optical Fiber Analysis System, 用于多模光纤带宽和DMD测量以及2440 Launch Analyzer,用于encicled-flux 特性的测量。

(三) 弯曲不敏感多模光纤 (bend insensitive multimode fiber)

多模光纤的传输性能主要是受限于多模光纤的DMD现象。多模光纤在传送光脉冲过程中,光脉冲会发散展宽,当这种发散状况严重到一定程度后,前后脉冲之间会相互叠加,使得接收端无法准确分辨每一个光脉冲信号,这种现象我们称为DMD(Differential Mode Delay)。其主要原因在于:一、纤芯折射率分布的不完美。多模光纤的DMD是在不同径向位置的入射脉冲的传播时间和光纤模间色散特性的组合效应, 对于指数型折射率剖面的多模光纤, 可以设计出很好的DMD特性。但DMD对折射率剖面的微小偏差十分敏感, 因此在多模光纤的制作中必须十分精确地控制, 实现完美的折射率剖面分布的设计值。二、光纤的中心凹陷。光纤的中心凹陷是指在纤芯中心的折射率明显下降的现象。这种凹陷和光纤的制造过程有关。这种中心凹陷将影响光纤的传输特性,降低光纤的性能。

因此精确控制光纤的折射率分布和消除中心凹陷是10Gb/s以太网多模光纤(OM3光纤)研发和制作的主要任务。MCVD和PCVD工艺较适合生产OM3光纤预制棒。PCVD更是制造多模光纤的首选方法,具有沉积层数多,剖面控制精确的特点,其几千层的沉积过程能够有效的控制沉积层的掺杂量以获得与理论要求符合的折射率分布。同时在烧缩过程中,通过控制腐蚀量和中心孔的大小可以避免中心凹陷的出现。

10Gb/s以太网标准IEEE802.3ae的通过,将一个10Gb/s以太网市场真实的呈现出来。开发符合万兆以太网标准的通讯产品已是当务之急。长飞、 Draka、 Corning、 OFS都已经成功的开发出了符合TIA/EIA-4Array2AAAC标准,激光优化的50/125mm梯度折射率分布多模光纤产品。满注入带宽和DMD测试结果表明,在850nm波长,该光纤可以支持10Gigabit网络系统300米以上的传输距离。同时,该光纤同样支持10Gigabit的Fibre Channel和10Gigabit的OIF(Optical Internetworking Forum)标准,并兼容低速率LED光源的网络传输。

随着 FTTx的快速发展,大量多模光纤走进了室内,在室内及狭窄环境下的布线,光纤经受较高的弯曲应力,特别是在应用中过长的光纤通常缠绕在越来越小型化的存储盒中,光纤将承受很大的弯曲应力。同此,对光缆的衰减和机械抗弯曲性能提出了更高要求。为了解决这些问题,弯曲不敏感多模光纤应运而生了,类似于弯曲不敏感单模光纤(G.657)一样, 成为多模光纤领域的一大研究热

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点。近年来,长飞、 Draka、 Corning、 OFS都发布了弯曲不敏感OM3/OM4多模光纤产品。该光纤与目前常规的OM3/OM4多模光纤兼容,并通过优化光纤折射率剖面设计,大大降低了光纤的宏弯附加衰减,最小弯曲半径一般可达7.5mm。采用弯曲不敏感OM3/OM4多模光纤的室内光缆在某种程度上可以简化安装,从而减少安装成本,并降低了系统中断或失效的风险。由于弯曲不敏感OM3/ OM4多模光纤具有诸多优势,一经推出就受到了市场的青睐。

我们知道, 不论单模还是多模光纤, 数值孔径(NA)愈大者, 其抗弯曲性能愈好。这是因为, 数值孔径(NA)愈大者其纤芯和包层折射率差也愈大, 光纤的波导能力也愈强。在多模光纤中,纤芯62.5?m的光纤的折射率差是纤芯50?m的光纤的两倍,因而后者抗弯曲性能较差, 因纤芯50?m的光纤的基本模式设计是固定的, 我们无法通过增大其折射率差来改善其抗弯曲性能。在光纤设计制作中,适当降低内层涂层材料的杨氏模量,增大外层涂层材料的杨氏模量可有效改善其抗弯曲性能。另外,适当降低内层涂层材料的玻璃化转化温度Tg则可改善光纤在低温下的抗弯曲性能。然而,为更有效地改善纤芯50?m的多模光纤的抗弯曲性能,必须从光纤的结构(折射率剖面)设计上寻找出路。

弯曲不敏感OM3/OM4多模光纤的结构基本与标准的多模光纤相似,弯曲不敏感多模光纤(bend insensitive multimode fiber, BIMMF) 的折射率剖面如图12所示。其中绿线为常规的50?m的多模光纤的梯度型折射率分布,兰色和红色虚线为弯曲不敏感光纤的两种设计方案,此三种多模光纤的截面如图13所示。BIMMF的折射率剖面分布,在纤芯区与常规的50?m的多模光纤相同,祗是在近纤芯的包层区设置环沟型折射率下陷区 (可称为trench-assisted multimode fiber)。在常规的多模光纤中,当光纤弯曲半径太小时, 传导模的光强会逸出纤芯, 造成信号畸变。而在弯曲不敏感多模光纤中, 环沟型折射率下陷区会形成一个阻碍光强尾场逸出纤芯的壁垒, 从而有效地降低了光纤的宏弯损耗。

图12 50?m多模光纤的折射率剖面

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图13 常规的50?m多模光纤MMF和两种弯曲不敏感BIMMF的截面图

弯曲不敏感光纤BIMMF的模场如图14所示: 在常规的多模光纤MMF中, 低价导模处于强导状态, 而在靠近纤芯-包层界面传播的高阶导模,因其有效折射率neff接近包层折射率n2,故处于弱导状态(当导模的有效折射率neff等于包层折射率n2时,模式截止)。处于弱导状态的高阶导模在光纤弯曲半径太小时, 其光强会逸出纤芯, 造成信号畸变。而在弯曲不敏感光纤BIMMF中,下陷的环沟型折射率分布区有两个导光界面,其内界面折射率从大到小,形成导光界面。由于此界面的存在,增强了光纤纤芯中导模的传导性,从而使原为弱导状态的高阶导模转化为强导状态,如图14所示。另外,下陷的环沟型折射率分布区的外界面折射率从小到大,形成折光界面。由于这一特殊的折射率剖面结构,在BIMMF光纤中存在着传导性的漏泄模(leaky mode)。漏泄模是本征方程在截止区外的解,漏泄模是导模在截止区外的解析连续,他们的场是相同的, 但其本征值或传播常数是本征方程的复数解,因而漏泄模在传播中有固有衰减而无法正常传播。漏泄模的有效折射率neff小于包层折射率n2。在常规多模光纤中,漏泄模耗衰得很快,因为常规光纤中没有折射率结构可支持其在光纤中传播。而正是BIMMF光纤中,这一特殊的折射率剖面结构形式,强势地维持着在靠近纤芯-包层界面传播的高阶导模的传导性,从而有效地改善了光纤的抗弯曲性能。

图14常规的多模光纤MMF和弯曲不敏感光纤BIMMF的模场

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表2 为IEC SC86A WG1在2011年4月提出的BIMMF多模光纤弯曲损耗的建议规范。作为类比,弯曲不敏感单模光纤在FTTH中的广泛应用,光纤进入家庭居室,会象电话线那样敷设和使用,故考虑的弯曲半径可小到5mm(G.657.B3)。而多模光纤通常并不进入家庭居室,主要用于企业和单位的局域网(LANs)或数据中心,并有良好的敷设和使用条件,因而其抗弯曲要求低于单模光纤。 多模光纤的宏弯损耗, max, (dB) 弯曲半径 圈数 常规50?m 光纤 50?m BIMMF (mm) 850nm 1300nm 850nm 1300nm 37.5 100 0.5 0.5 未定义 未定义 15 2 1.0 1.0 0.1 0.3 7.5 2 未定义 未定义 0.2 0.5 表2 弯曲损耗的建议规范

弯曲不敏感OM3/OM4多模光纤有望在近几年内制定相关标准。

(四) 多模光纤的技术规范

现将长飞公司, 康宁公司和Draka公司的OM2/OM3/0M4 ( 50/125μm) 多模光纤的技术规范: 列示如下供参考:

长飞公司 超贝?OM2+/OM3/0M4多模光纤

特性 条件 数据 单位 几何特性

芯直径 50±2.5 [μm] 芯不圆度 ≤5.0 [%] 包层直径 125.0±1.0 [μm] 包层不圆度 ≤1.0 [%] 芯/包层同心度误差 ≤1.0 [μm] 涂层直径 245±7 [μm] 涂层/包层同心度误差 ≤12.0 [μm] 涂层不圆度 ≤6.0 [%] 交货长度 最大至8.8 [km/盘] 光学特性

衰减 850nm ≤2.3 [dB/km]

1300nm ≤0.6 [dB/km]

+

超贝?OM2/OM3/0M4

满注入带宽(OFL) 850nm ≥700/≥1500/≥3500 [MHz.km]

1300nm ≥500/≥500/≥500 [MHz.km]

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有效模式带宽@850nm ≥950/≥2000/≥4700 [MHz.km] 支持千兆以太网

10 Gigabit Ethernet SX850nm 150/300/550 [m] Gigabit Ethernet SX 850nm 750/1000/1100 [m] Gigabit Ethernet LX 1300nm 600/600/600 [m] 40&100 Gigabit Ethernet 850nm -/100/150 [m] DMD标准 参见注释1 数值孔径 0.200±0.015 有效群折射率 850 nm 1.482

1300 nm 1.477

零色散波长 1295-1320 [nm]

2

零色散斜率 1295-1300 nm ≤0.001×(入o-1190) [ps/(nm.km)]

2

1300-1320 nm ≤0.11 [ps/(nm.km)]

宏弯损耗 850 nm ≤0.50 [dB] 100圈,半径30mm 1300 nm ≤0.50 [dB] 背向散射特性 1300 nm

台阶(双向测量的平均值) ≤0.10 [dB] 长度方向的不规律性和点不连续性 ≤0.10 [dB] 衰减均匀性 ≤0.08 [dB/km] 环境特性 850 nm&1300 nm

温度附加衰减 -60℃到85℃ ≤0.10 [dB/km] 温度-湿度循环附加衰减 10℃到85℃,98%相对湿度 ≤0.10 [dB/km] 浸水附加衰减 23℃,30天 ≤0.10 [dB/km] 湿热附加衰减 85℃和85%相对湿度,30天 ≤0.10 [dB/km] 干热附加衰减 85℃,30天 ≤0.10 [dB/km] 机械特性

筛选张力 ≥9.0 [N]

≥1.0 [%] ≥100 [kpsi]

涂层剥离力 典型平均剥离力 1.5 [N]

峰值力 ≥1.3 ≤8.9 [N]

动态疲劳参数(nd,典型值) 27

1.DMD标准满足并更严格于IEC60793-2-10要求(A1a.2类即OM3)以及TIA-492AAAC(OM3)和492AAAD(OM4)要求.

长飞公司 超贝?OM2+/OM3/0M4弯曲不敏感多模光纤

特性 条件 数据 单位 几何特性

芯直径 50±2.5 [μm] 芯不圆度 ≤5.0 [%] 包层直径 125.0±1.0 [μm] 包层不圆度 ≤1.0 [%] 芯/包层同心度误差 ≤1.0 [μm] 涂层直径 245±7 [μm] 涂层/包层同心度误差 ≤12.0 [μm] 涂层不圆度 ≤6.0 [%] 交货长度 最大至8.8 [km/盘] 光学特性

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