多模光纤技术的发展及其网络应用探究

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        多模光纤的应用潜力
　　九十年代中期以来世界多模光纤市场基本保持在7～8％的光纤用量和14～15％的销售份额。北美比这一大致平均比例偏高。表4中世界多模光纤用量和销售额的比例分别为4％和11％，这是由于当年非零色散位移光纤猛增159％，达到1260万公里，使其他品种比例下降，多模光纤实际用量仍保持相应水平。
　　七十年代光纤进入实用化阶段是从多模光纤的局间中继开始的。二十多年以来，单模光纤新品种不断出现，光纤功能不断丰富和增强，性能价格比不断苛求，但多模光纤并没有被取代而是始终保持稳定的市场份额，和其他品种同步发展。其原因是多模光纤的特性正好满足了网络用纤的要求。相对于长途干线，光纤网络的特点是：传输速率相对较低；传输距离相对较短；节点多、接头多、弯路多；连接器、耦合器用量大；规模小，单位光纤长度使用光源个数多。
　　传输速率低和传输距离短正好可以利用多模光纤带宽特性和传输损耗不如单模光纤的特点。但单模光纤更便宜、性能比多模好，为什么网络中不用单模光纤呢？这是因为上述网络特点中弯路多损耗就大；节点多则光功率分路就频繁，这都要求光纤内部有足够的光功率传输。多模光纤比单模光纤芯径粗，数值孔径大，能从光源耦合更多的光功率。网络中连接器、耦合器用量大，单模光纤无源器件比多模光纤贵，而且相对精密、允差小，操作不如多模器件方便可靠。单模光纤只能使用激光器（LD）作光源　，其成本比多模光纤使用的发光二极管（LED）高很多。尤其是网络规模小，单位光纤长度使用光源个数多，干线中可能几百公里用一个光源，而十几公里甚至几公里的每个网络各有独立的光源。如果网络使用单模光纤配用激光器，网络总体造价会大幅度提高。目前，垂直腔面发射激光器（VCSEL）已商用，价格与LED接近，其圆形的光束断面和高的调制速率正好补偿了LED　的缺点，使多模光纤在网络中应用更添生机。从上述分析不难看到，认为单模光纤带宽高、损耗小，在网络中使用可以“一次到位”的考虑是不全面的。康宁公司对网络中使用单模光纤和使用多模光纤的系统成本进行了计算和比较，使用单模光纤的网络成本是多模光纤的4倍。使用62.5μm和50μm多模光纤的系统成本一样，区别在于不同种类的连接器。选用无金属箍插拔式连接器系统造价（多模系统B）比用金属箍旋接的连接器，如FC型（多模系统A）的成本可减少1／2。
　　“62.5”的兴衰和“50”的崛起
　　为适应网络通信的需要，七十年代末到八十年代初，各国大力开发大芯径大数值孔径多模光纤（又称数据光纤）。当时国际电工委员会推荐了四种不同芯／包尺寸的渐变折射率多模光纤即A1a、A1b、A1c和A1d。它们的纤芯／包层直径（μm）／数值孔径分别为50／125／0.200、62.5／125／0.275、85／125／0.275和100／140／0.316。总体来说，芯／包尺寸大则制作成本高、抗弯性能差，而且传输模数量增多，带宽降低。100／140μm多模光纤除上述缺点外，其包层直径偏大，与测试仪器和连接器件不匹配，很快便不在数据传输中使用，只用于功率传输等特殊场合。85／125μm多模光纤也因类似原因被逐渐淘汰。1999年10月在日本京都召开的IEC　SC　86A　GW1专家组会议对多模光纤标准进行修改，2000年3月公布的修改草案中，85／125μm多模光纤已被取消。康宁公司1976年开发的50／125μm多模光纤和朗讯Bell实验室1983开发的62.5／125μm多模光纤有相同的外径和机械强度，但有不同的传输特性，一直在数据通信网络中“较量”。
　　62.5μm芯径多模光纤比50μm芯径多模光纤芯径大、数值孔径高，能从LED光源耦合入更多的光功率，因此62.5／125μm多模光纤首先被美国采用为多家行业标准。如AT＆T的室内配线系统标准、美国电子工业协会（EIA）的局域网标准、美国国家标准研究所（ANSI）的100Mb／s令牌网标准、IBM的计算机光纤数据通信标准等。50／125μm多模光纤主要在日本、德国作为数据通信标准使用，至今已有18年历史。但由于北美光纤用量大和美国光纤制造及应用技术的先导作用，包括我国在内的多数国家均将62.5／125μm多模光纤作为局域网传输介质和室内配线使用。自八十年代中期以来，62.5／125μm光纤几乎成为数据通信光纤市场的主流产品。
　　上述形势一直维持到九十年代中后期。近几年随局域网传输速率不断升级，50μm芯径多模光纤越来越引起人们的重视。自1997年开始，局域网向1Gb／s发展，以LED作光源的62.5／125μm多模光纤几百兆的带宽显然不能满足要求。与62.5／125μm相比，50／125μm光纤数值孔径和芯径较小，带宽比62.5／125μm光纤高，制作成本也可降低1／3。因此，各国业界纷纷提出重新启用50／125μm多模光纤。经过研究和论证，国际标准化组织制订了相应标准。但考虑到过去已有相当数量的62.5／125μm多模光纤在局域网中安装使用，IEEE802.3z千兆比特以太网标准中规定50／125μm和62.5／125μm多模光纤都可以作为1GMbit／s以太网的传输介质使用。但对新建网络，一般首选50／125μm多模光纤。50／125μm多模光纤的重新启用，改变了62.5／125μm多模光纤主宰多模光纤市场的局面。遵照上述标准，康宁公司1998年9月宣布推出两种新的多模光纤。第一种为InfiniCor300型，按62.5／125μm标准，可在1Gb／s速率下，850nm波长传输300米，1300nm波长传输550米。第二种是InfiniCor600型，按50／125μm标准，在1Gb／s速率下，850nm波长和1300nm波长均可传输600米。新一代多模光纤虽然1998年新出台的IEEE802.3z标准提出了在1Gbit／s网络中使用多模光纤的规范，但网络升级的发展比标准的制订还快。目前要求传输速率达到10Gbit／s。这使得62.5／125μm多模光纤的带宽限制更加突出。为了解决这一问题，各大公司在最近一两年开发推出了几种新品种多模光纤，如康宁的InfiniCor　CL1000和InfiniCor　CL2000，朗讯的Lazr—SPEED，阿尔卡特的GIGAlite等。康宁在发布这种光纤时说：“康宁以娴熟的技术和新的折射率分布控制，推出这种以前只有单模光纤才能给出的特性而且能在网络中使用以前给多模光纤配套的低成本系统。”
　　在上述背景基础上，美国康宁和朗讯等大公司向国际标准化机构提出了“新一代多模光纤”概念。新一代多模光纤的标准正由国际标准化组织／国际电工委员会（ISO／IEC）和美国电信工业联盟（TIA—TR42）研究起草。预计2002年3～4月推出，新一代多模光纤也将作为10Gb／s以太网的传输介质，被纳入IEEE10Git／s以太网标准。新一代多模光纤的英文缩写“NGMMF”（New　Generation　Multi　Mode　Fiber）已被国际通用，并可作为关键词在国际网站查询。目前，新一代多模光纤的全面技术指标尚未正式公布，但从标准制订的相关报道及有关技术网站中可以得到如下确切信息：
　　1.新一代多模光纤的类型
　　新一代多模光纤是一种50／125μm，渐变折射率分布的多模光纤。采用50μm芯径是因为这种光纤中传输模的数目大约是62.5μm多模光纤中传输模的1／2.5。这可有效降低多模光纤的模色散，增加带宽。对850nm波长，50／125μm比62.5／125μm多模光纤带宽可增加三倍（500MHz.km比160MHz.km）。按IEEE802.3z标准推荐，在1Gbit／s速率下，62.5μm芯径多模光纤只能传输270米；而50μm芯径多模光纤可传输550米。实际上最近的实验证实：使用850nm垂直腔面发射激光器（VCSEL）作光源，在1Gbit／s速率下，50μm芯径标准多模光纤可无误码传输1750米（线路中含5对连接器），50μm芯径新一代多模光纤可无误码传输2000米（线路中含2对连接器）。在10Gbit／s下，50μm芯径新一代多模光纤可传输600米，而具有200／500MHz.km过满注入带宽的标准62.5μm芯径多模光纤只能传输35米。
　　采用50μm芯径的另一个原因是以前人们看中62.5μm芯径多模光纤的优点，随技术的进步已变得无关紧要。在八十年代初中期，LED光源的输出功率低，发散角大，连接器损耗大，使用芯径和数值孔径大的光纤以使尽多光功率注入是必须考虑的。而当时似乎没人想到局域网速率可能会超过100Mbit／s，即多模光纤的带宽性能并不突出。现在由于LED输出功率和发散角的改进、连接器性能的提高，尤其是使用了VCSEL，光功率注入已不成问题。芯径和数值孔径已不再像以前那么重要，而10Gbit／s的传输速率成了主要矛盾，可以提供更高带宽的50μm芯径多模光纤则倍受青睐。
　　2.新一代多模光纤光源
　　以往传统的多模光纤网络使用发光二极管（LED）做光源。在低速网络中这是一种经济合理的选择。但二极管是自发辐射发光，激光器是受激发射发光，前者载流子寿命比后者长，因而二极管的调制速率受到限制，在千兆比及其以上网络中无法使用。另外，二极管与激光器相比，其光束发散角大，光谱宽度宽。注入多模光纤后，激励起更多的高次模，引入更多波长成份，使光纤带宽下降。幸运的是850nm垂直腔面发射激光器（VCSEL）不但具有上述激光器的优点，而且价格与LED基本相同。VCSEL的其他优点是：阈值电流低，可以不经放大，直接用逻辑门电路驱动，在2Ggabit速率下，获得几毫瓦的输出功率；其850nm的发射波长并不适用于标准单模光纤，正好用于多模光纤。在这一波长下，可以使用廉价的硅探测器并有良好的高频响应；另一个令人瞩目的优点是VCSEL的制造工艺可以容易地控制发射光功率的分布，这对提高多模光纤带宽十分有利。正是由于这些优点，新一代多模光纤标准将采用850nm　VCSEL做光源。
　　3.新一代多模光纤的带宽
　　按上面叙述的激光器与发光管的比较来看，多模光纤使用激光器做光源，其传输带宽应得到大幅度提高。但初步实验结果表明，简单地用激光器代替LED做光源，系统的带宽不仅没有提高反而降低。经过IEEE专家组的研究发现，多模光纤的带宽还与光纤中的模功率分布或注入状态有关。在预制棒制作工艺中，光纤的轴心容易产生折射率凹陷。以前用LED做光源，是过满注入（OFL—OverFilled　Launch），光纤的全部模式（几百个）都被激励，每个模携带自己的一部分功率。光纤中心折射率的畸变只影响少数模式的时延特性，对光纤模带宽的影响相对有限。所测出的多模光纤带宽，对于用LED做光源的系统是正确的。也就是说可以用这样测出的带宽数据估算系统的传输速率和距离。但是，当用激光器做光源时，激光器的光斑仅几微米，发散角也比LED小，因而只激励在光纤中心传输的少数模式，每个模式都携带相当大的一部分功率，光纤中心折射率畸变对这些仅有的、少数模式时延特性的影响，使多模光纤带宽明显下降。因此不能用传统的过满注入（OFL）方法来测量用激光器做光源的多模光纤的带宽。
　　新标准将使用限模注入法（RML—Restricted　Mode　Launch）测量新一代多模光纤的带宽。用这种方法测出的带宽叫“激光器带宽”或“限模带宽”，以前用LED做光源测出的带宽叫“过满注入带宽”。两者分别表示用激光器和LED做光源注入时的多模光纤带宽。限模注入和多模光纤激光器带宽的标准由TIA　FO—2.2.1任务组起草。目前已完成62.5μm多模光纤检测规程FOTP—203和FOTP—204（FOTP—Fiber　Optic　Test　Procedure），内容如下：
　　FOTP—203规定了用来测量多模光纤激光器带宽的光源的功率分布。要求光源经过一段短的多模光纤耦合之后，其近场强度分布应满足在中心30μm范围内光通量大于75％，在中心9μm范围内光通量大于25％。新标准中没有推荐使用VCSEL做光源对带宽进行测量，这是考虑到不同厂家VCSEL的光功率分布差别很大。
　　FOTP—204规定使用限模光纤将光源耦合入多模光纤进行激光器带宽测量。限模光纤用来对过满注状态进行滤波，限制对多模光纤高次模的激励。限模光纤是一段芯径23.5μm，数值孔径0.208的渐变折射率多模光纤。这种多模光纤折射率梯度指数接近于2。在850nm和1300nm过满注入条件下应有大于700MHz.km的带宽。限模光纤的长度应大于1.5米以消除泄漏模，并小于5米以避免瞬态损耗。选取芯径23.5μm是因为其产生的注入状态最接近VCSEL。
　　4.光源的注入
　　在实际使用中，激光器与多模光纤耦合可依照Gbit／s以太网标准推荐的法：
　　①　偏置注入为避免上述激光器直接注入多模光纤出现的带宽恶化情况，标准规定使用模式调节连线（Mode　Conditioning　Patch　Cord—MCP）将激光器输出耦合入多模光纤。模式调节连线是一段短的单模光纤，它的一端与激光器耦合，另一端与多模光纤耦合。标准规定单模光纤输出光斑故意偏离多模光纤轴心一段距离，允许偏离的范围是17～24μm，其目的是避开中心折射率凹陷，但又不偏离太远，只是选择性地激励一小组较低次模。
　　②　中心注入对折射率分布理想，没有中心凹陷的多模光纤可以使用中心注入而不用模式调节连线。这样做的优点是可以有效提高多模光纤的激光器带宽，减少网络系统的复杂性和降低系统成本，目前一根模式调节连线约80～100美元。康宁公司推出的InfiniCor　CL　1000（62.5μm芯径）和InfiniCor　CL　2000（50μm芯径）是目前千兆比以太网中1300nm波长激光直接注入而不用模式调节连线的第一种多模光纤。