多模光通信链路带宽

  1. 多模光纤历史

  多模光纤是最早出现的实用化的光纤，其较大的纤芯半径和较高的数值孔径在70年代配合当时的LED光源一起组成了第一代光纤通信系统，应用在长途和短距离通信中。随着单模光纤的出现，多模光纤随后因为其整体系统的低成本限制在短距离的应用场景中。

  最初的多模光纤采用了50um的纤芯直径和1%的相对折射率差。由于LED的光斑直径非常大，该设计的多模光纤不能有效的捕获LED的光能量，于是62.5um的多模光纤被开发出来。62.5um的多模光纤具有2%的相对折射率差，其数值孔径也增大，LED发出的光更多的被耦合到多模光纤中。在90年底中期，低成本的VCSEL激光器被开发出来，由于VCSEL本身的小光斑和数值孔径特点，1%的相对折射率差的50um纤芯直径的多模光纤又重新拉回了应用，并广泛的在短距离光纤通信中一直应用至今。

  2. 多模光纤典型设计

  常规的多模光纤的折射率分布采用抛物线或近抛物线形状，以获得理想的模式色散。对于抗弯类型的多模光纤，外部一般采用沟槽设计。

  折射率抛物线分布公式如下，相对折射率差为1%，阿尔法定义了折射率分布的曲率，理想情况下，阿尔法为2，但是由于材料色散的影响，阿尔法应该增大，以抵消材料色散的影响。

  3. 多模光纤带宽影响因素

  影响多模光纤带宽的主要因素分别来自光纤和光源。

  光纤的因素主要包括材料色散和模式色散。

  由于多模光纤本身的特点，有多达19个模式组可以在多模光纤中传输，如果不加以精确控制，其模式之间的色散可能非常大。如果采用VCSEL，模式色散一般通过有效模式带宽EMB进行反映，如果采用LED，则用满注入带宽OFL BW来表示。

  模式带宽在标准中定义如下：(ISO/IEC 11801和ANSI/TIA-568-C.3)

  光纤的有效模式带宽和材料色散可以从光纤厂家的光纤规格书中得到。对带宽的影响程度看，模式带宽和材料色散并没有绝对的大小，要取决于光源。一般来说，LED光源，材料色散是主要链路带宽的限制因素，对于VCSEL来说，目前模式带宽是链路带宽主要限制因素。

  来自光源VCSEL的因素可以参考其环通量EF(Encircled flux)，VCSEL的Encircled flux的定义如下，是归一化的光功率沿着纤芯半径的积分，代表了各个模式的光功率在纤芯中的分布。

  其EF的分布应该位于下图的两个红框之内，如果EF越过右侧红框，其链路带宽将会明显下降。

  4. 多模光纤链路带宽评估、

  利用多模光纤进行布网时，对多模光纤链路带宽的评估非常重要，因为用户无法逐一对所有VCSEL激光器和所有光纤进行测试。根据多模光纤和VCSEL激光器的规格参数，进行光纤链路带宽评估有助于实现设计的链路带宽。

  IEEE建立了一个10GbE的系统链路模型，该模型可以通过下面的链接获取。通过在电子表格中输入指定的参数，可以获取眼图、链路带宽等预估信息。

  www.ieee802.org/3/ae/public/index.html

  这里介绍一个更简单的计算法，下面给出一个有用的根据模式带宽、色散和VCSEL激光器线宽计算出链路带宽的公式(来自Stefano Bottacchi)。

  链路带宽是距离和波长的函数，根据对应波长的有效模式带宽、色散，VCSEL激光器线宽，可以预估其链路带宽。

  比如OM4光纤850nm处的有效模式带宽为4700MHz.km，材料色散为-69.36ps/nm*km，VCSEL激光器典型线宽为0.6nm。在长度为300m时，其链路带宽大概为10.34GHz。

  5. 多模光纤困境

  随着高带宽速率的需求增长，多模光纤由于其本身特点，未来几年可能面临着无法满足带宽速率的增长需求。并且多模光纤本身制造工艺较为复杂，价格高，主要依赖于价格低廉的VCSEL激光器。如果同样成本的单模VCSEL激光器在未来几年能普遍应用市场，对多模光纤存在或许将形成威胁。

  多模光纤的未来应该充分利用其多模的自身特点扩展应用范围。如果未来能客服这一点，或许历史将迎来螺旋式发展，从多模到单模，再回到多模的普遍应用。

  本文来源：微信公众号“Fiber Technology”，作者 Mark Guo