淺述多模光纖的演進之路

前言：通信光纖根據(jù)其應(yīng)用波長下傳輸模式數(shù)量的不同，分為單模光纖和多模光纖。由于多模光纖芯徑較大，可以配合低成本光源使用，因此在短距離傳輸場景下有著極為廣泛的應(yīng)用，如數(shù)據(jù)中心、局域網(wǎng)等。隨著近年來數(shù)據(jù)中心建設(shè)的高速發(fā)展，作為數(shù)據(jù)中心和局域網(wǎng)應(yīng)用主流的多模光纖也迎來了春天，引起了人們的廣泛關(guān)注。今天，我們就來聊一聊，多模光纖的發(fā)展歷程。

按照標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC 11801規(guī)范，多模光纖分為OM1、OM2、OM3、OM4、OM5五個大類，其與IEC 60792-2-10的對應(yīng)關(guān)系，如表1所示。其中OM1, OM2是指傳統(tǒng)的62.5/125mm和50/125mm多模光纖； OM3、OM4和OM5是指新型的50/125mm萬兆位多模光纖。

表1 標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)關(guān)系

一、傳統(tǒng)多模光纖

多模光纖的研發(fā)始于上個世紀(jì)七八十年代，早期的多模光纖包括很多尺寸種類，列入國際電工委（IEC）標(biāo)準(zhǔn)中的尺寸類型包括四種，芯包層直徑分為50/125μm、62.5/125μm、85/125μm和100/140μm。由于芯包層尺寸大則制作成本高、抗彎性能差，而且傳輸模數(shù)量增多，帶寬降低，因而較大芯包層尺寸的類型逐漸被淘汰，逐漸形成了兩種主要的芯包層尺寸，分別是50/125μm和62.5/125μm。

在早期的局域網(wǎng)中，為了盡可能地降低局域網(wǎng)的系統(tǒng)成本，普遍采用價格低廉的LED作光源。由于LED輸出功率低，發(fā)散角比較大，而50/125mm多模光纖的芯徑和數(shù)值孔徑都比較小，不利于與LED的高效耦合，不如芯徑和數(shù)值孔徑大的62.5/125mm多模光纖能使較多的光功率耦合到光纖鏈路中去，因此，50/125mm多模光纖在20世紀(jì)90年代中期以前不如62.5/125mm多模光纖那樣得到廣泛的應(yīng)用。

隨著局域網(wǎng)傳輸速率不斷升級，自20世紀(jì)末以來，局域網(wǎng)向lGb/s速率以上發(fā)展，以LED作光源的62.5/125μm多模光纖僅僅幾百兆的帶寬逐漸不能滿足要求。相比之下，50/125mm多模光纖數(shù)值孔徑和芯徑較小，傳導(dǎo)模式也較少，因而有效地降低了多模光纖的模式色散，使得帶寬得到了顯著的增加，由于芯徑較小，50/125mm多模光纖的制作成本也更低，因此重新得到了廣泛的應(yīng)用。

IEEE802.3z千兆位以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定50/125mm多模和62.5/125mm多模光纖都可以作為千兆位以太網(wǎng)的傳輸介質(zhì)使用。但對新建網(wǎng)絡(luò)，一般首選50/125mm多模光纖。

二、激光優(yōu)化的多模光纖

隨著技術(shù)的發(fā)展，850nm VCSEL(垂直腔體表面發(fā)射激光器)出現(xiàn)。VCSEL激光器比長波長激光器價格更低，同時能夠提高網(wǎng)絡(luò)速率，因此獲得了廣泛應(yīng)用。由于兩種發(fā)光器件的不同，必須對光纖本身進行改造，以適應(yīng)光源的變化。

為了VCSEL激光器需要，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織/國際電工委員會（ISO/IEC）和美國電信工業(yè)聯(lián)盟（TIA）聯(lián)合起草了新一代纖芯為50mm的多模光纖的標(biāo)準(zhǔn)。ISO/IEC在其所制定的新的多模光纖等級中將新一代多模光纖劃為OM3類別(IEC標(biāo)準(zhǔn)為A1a.2)，即為激光優(yōu)化的多模光纖。

后續(xù)出現(xiàn)的OM4光纖，實際是OM3多模光纖的升級版。OM4標(biāo)準(zhǔn)與OM3光纖相比，只是在光纖帶寬指標(biāo)做了提升。即OM4光纖標(biāo)準(zhǔn)在850nm波長的有效模式帶寬（EMB）和滿注入帶寬（OFL）相比OM3 光纖都做了提高。如下表2所示。

表2 OM3和OM4光纖對比

多模光纖內(nèi)傳輸模式眾多，隨之還帶來光纖抗彎曲性能的問題，當(dāng)光纖彎曲時，高階的模式極易泄露出去，造成信號的損失，即光纖的彎曲損耗。隨著室內(nèi)應(yīng)用場景不斷增多，多模光纖在狹窄環(huán)境下的布線，對其抗彎曲性能也提出了更高要求。

不同于單模光纖簡單的折射率剖面結(jié)構(gòu)，多模光纖的折射率剖面十分復(fù)雜，需要極為精細(xì)的折射率剖面設(shè)計與制作工藝。在目前國際主流的四大預(yù)制棒制備工藝中，制備多模光纖最為精密的是等離子體化學(xué)氣象沉積（PCVD）工藝，以長飛公司為代表。該工藝不同于其他工藝，其沉積層數(shù)多達幾千層，且沉積時每層僅約1微米的厚度，能夠?qū)崿F(xiàn)超精細(xì)的折射率曲線控制，從而實現(xiàn)高帶寬。

通過對多模光纖折射率剖面的優(yōu)化，現(xiàn)在的彎曲不敏感多模光纖，其抗彎性能有了顯著提升，如下圖1所示。

圖1抗彎多模光纖與常規(guī)多模光纖宏彎性能比較

三、新型多模光纖（OM5）

OM3光纖和OM4光纖，都是主要應(yīng)用于850nm波段的多模光纖。隨著傳輸速率的不斷提升，僅僅單通道的波段設(shè)計，會帶來越來越密集的布線成本，隨之的管理維護成本也相應(yīng)升高。因此，技術(shù)人員嘗試將波分復(fù)用概念引入多模傳輸系統(tǒng)中，如果能夠在一根光纖上傳輸多個波長，則相應(yīng)的并行光纖根數(shù)和鋪設(shè)、維護成本都能大幅下降。在此背景下，OM5光纖應(yīng)運而生。

OM5多模光纖，是在OM4光纖基礎(chǔ)上，擴寬了高帶寬通道，其能夠支持850nm~950nm波段的傳輸應(yīng)用。目前主流的應(yīng)用，是SWDM4和SR4.2設(shè)計。SWDM4是4個短波的波分復(fù)用，分別是850nm、880nm、910nm和940nm。這樣在一根光纖可以支撐此前4根并行光纖的業(yè)務(wù)。SR4.2是兩波分復(fù)用，主要用于單纖雙向技術(shù)。OM5能夠與性能好成本低的VCSEL激光器配合，以更好的滿足數(shù)據(jù)中心等短距離通信。下表3是OM4和OM5光纖的主要帶寬指標(biāo)對比。

表3 OM4和OM5光纖帶寬指標(biāo)對比

目前，OM5光纖作為一種最新型的高端多模光纖，已有了許多應(yīng)用案例。其中最大的一個商業(yè)案例，是長飛公司和中國鐵路總公司主數(shù)據(jù)中心的OM5商用案例。該數(shù)據(jù)中心瞄準(zhǔn)了OM5光纖在SR4.2上的波分系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢，使用最低的成本，實現(xiàn)了最大容量的通信，也為未來進一步升級速率做了準(zhǔn)備，未來提升速率至100Gb/s乃至400Gb/s，或者擴寬波段應(yīng)用時，可以不再更換光纖，能夠顯著降低未來升級成本。

總結(jié)：隨著應(yīng)用的需求不斷提高，多模光纖在朝著低彎曲損耗，高帶寬，多波長復(fù)用的方向發(fā)展，其中，最具有應(yīng)用潛力的，當(dāng)屬OM5光纖，其具有目前多模光纖最優(yōu)的性能，為未來100Gb/s和400Gb/s的多波長系統(tǒng)提供了有力的光纖解決方案。此外，為適應(yīng)高速率，高帶寬，低成本的數(shù)據(jù)中心通信的要求，新型的多模光纖，如單多模通用光纖，也正在研發(fā)中。未來，長飛公司將和業(yè)內(nèi)同行一道推出更多的新型多模光纖解決方案，給數(shù)據(jù)中心和光纖互聯(lián)帶來新的突破和更低的成本。