為什麽在能作 單模光纖 的情況下還要做多模 光纖

多模光纖的潛力 九十年代多模光纖在世界光纖市場壹直占有穩定分額。 九十年代中期以來世界多模光纖市場基本保持在7~8%的光纖用量和14~15% 的銷售份額。北美比這壹大致平均比例偏高。表4 中世界多模光纖用量和銷售額的比例分別為4%和11%，這是由於當年非零色散位移光纖猛增159%，達到 1260 萬公裏，使其他品種比例下降，多模光纖實際用量仍保持相應水平。 七十年代光纖進入實用化階段是從多模光纖的局間中繼開始的。二十多年以來，單模光纖新品種不斷出現，光纖功能不斷豐富和增強，性能價格比不斷苛求，但多模光纖並沒有被取代而是始終保持穩定的市場份額，和其他品種同步發展。其原因是多模光纖的特性正好滿足了網絡用纖的要求。相對於長途幹線，光纖網絡的特點是:傳輸速率相對較低;傳輸距離相對較短;節點多、接頭多、彎路多;連接器、耦合器用量大;規模小，單位光纖長度使用光源個數多。傳輸速率低和傳輸距離短正好可以利用多模光纖帶寬特性和傳輸損耗不如單模光纖的特點。但單模光纖更便宜、性能比多模好，為什麽網絡中不用單模光纖呢?這是因為上述網絡特點中彎路多損耗就大;節點多則光功率分路就頻繁，這都要求光纖內部有足夠的光功率傳輸。多模光纖比單模光纖芯徑粗，數值孔徑大，能從光源耦合更多的光功率。網絡中連接器、耦合器用量大，單模光纖無源器件比多模光纖貴，而且相對精密、允差小，操作不如多模器件方便可靠。單模光纖只能使用激光器(LD)作光源，其成本比多模光纖使用的發光二極管(LED)高很多。尤其是網絡規模小，單位光纖長度使用光源個數多，幹線中可能幾百公裏用壹個光源，而十幾公裏甚至幾公裏的每個網絡各有獨立的光源。如果網絡使用單模光纖配用激光器，網絡總體造價會大幅度提高。目前，垂直腔面發射激光器(VCSEL)已商用，價格與LED 接近，其圓形的光束斷面和高的調制速率正好補償了 LED 的缺點，使多模光纖在網絡中應用更添生機。從上述分析不難看到，認為單模光纖帶寬高、損耗小，在網絡中使用可以"壹次到位"的考慮是不全面的。康寧公司對網絡中使用單模光纖和使用多模光纖的系統成本進行了計算和 比較，使用單模光纖的網絡成本是多模光纖的4 倍。使用62.5μm 和50μm 多模光纖的系統成本壹樣，區別在於不同種類的連接器。選用無金屬箍插拔式連接器系統造價(多模系統B)比用金屬箍旋接的連接器，如FC 型(多模系統A)的成本可減少1/2。"62.5"的興衰和"50"的崛起 為適應網絡通信的需要，七十年代末到八十年代初，各國大力開發大芯徑大數值孔徑多模光纖(又稱數據光纖)。當時國際電工委員會推薦了四種不同芯/ 包尺寸的漸變折射率多模光纖即A1a、A1b、A1c 和A1d。它們的纖芯/包層直徑 (μm)/數值孔徑分別為50/125/0.200、62.5/125/0.275、85/125/0.275 和 100/140/0.316。總體來說，芯/包尺寸大則制作成本高、抗彎性能差，而且傳輸模數量增多，帶寬降低。100/140μm 多模光纖除上述缺點外，其包層直徑偏大，與測試儀器和連接器件不匹配，很快便不在數據傳輸中使用，只用於功率傳輸等特殊場合。85/125μm 多模光纖也因類似原因被逐漸淘汰。1999 年10 月在日本京都召開的IECSC86AGW1 專家組會議對多模光纖標準進行修改，2000 年 3 月公布的修改草案中，85/125μm 多模光纖已被取消。康寧公司1976 年開發的50/125μm 多模光纖和朗訊Bell 實驗室1983 開發的62.5/125μm 多模光纖有相同的外徑和機械強度，但有不同的傳輸特性，壹直在數據通信網絡中"較量 "。 62.5μm 芯徑多模光纖比50μm 芯徑多模光纖芯徑大、數值孔徑高，能從 LED 光源耦合入更多的光功率，因此62.5/125μm 多模光纖首先被美國采用為多家行業標準。如AT&T 的室內配線系統標準、美國電子工業協會(EIA)的局域網標準、美國國家標準研究所(ANSI)的100Mb/s 令牌網標準、IBM 的計算機光纖數據通信標準等。50/125μm 多模光纖主要在日本、德國作為數據通信標準使用，至今已有18 年歷史。但由於北美光纖用量大和美國光纖制造及應用技術的先導作用，包括我國在內的多數國家均將62.5/125μm 多模光纖作為局域網傳輸介質和室內配線使用。自八十年代中期以來，62.5/125μm 光纖幾乎成為數據通信光纖市場的主流產品。 上述形勢壹直維持到九十年代中後期。近幾年隨局域網傳輸速率不斷升級， 50μm 芯徑多模光纖越來越引起人們的重視。自1997 年開始，局域網向1Gb/s 發展，以 LED 作光源的 62.5/125μm 多模光纖幾百兆的帶寬顯然不能滿足要求。與62.5/125μm 相比，50/125μm 光纖數值孔徑和芯徑較小，帶寬比62.5/125 μm 光纖高，制作成本也可降低1/3。因此，各國業界紛紛提出重新啟用 50/125μm 多模光纖。經過研究和論證，國際標準化組織制訂了相應標準。但考慮到過去已有相當數量的62.5/125μm 多模光纖在局域網中安裝使用， IEEE802.3z 千兆比特以太網標準中規定50/125μm 和62.5/125μm 多模光纖都可以作為1GMbit/s 以太網的傳輸介質使用。但對新建網絡，壹般首選50/125 μm 多模光纖。50/125μm 多模光纖的重新啟用，改變了62.5/125μm 多模光纖主宰多模光纖市場的局面。遵照上述標準，康寧公司1998 年9 月宣布推出兩種新的多模光纖。第壹種為InfiniCor300 型，按62.5/125μm 標準，可在1Gb/s 速率下，850nm 波長傳輸300 米，1300nm 波長傳輸550 米。第二種是 InfiniCor600 型，按50/125μm 標準，在1Gb/s 速率下，850nm 波長和1300nm 波長均可傳輸600 米。新壹代多模光纖雖然1998 年新出臺的IEEE802.3z 標準提出了在1Gbit/s 網絡中使用多模光纖的規範，但網絡升級的發展比標準的制訂還快。目前要求傳輸速率達到10Gbit/s。這使得62.5/125μm 多模光纖的帶寬限制更加突出。為了解決這壹問題，各大公司在最近壹兩年開發推出了幾種新品種多模光纖，如康寧的InfiniCorCL1000 和InfiniCorCL2000，朗訊的 Lazr-SPEED，阿爾卡特的GIGAlite 等。康寧在發布這種光纖時說:"康寧以嫻熟的技術和新的折射率分布控制，推出這種以前只有單模光纖才能給出的特性而且能在網絡中使用以前給多模光纖配套的低成本系統。" 在上述背景基礎上，美國康寧和朗訊等大公司向國際標準化機構提出了"新壹代多模光纖"概念。新壹代多模光纖的標準正由國際標準化組織/國際電工委員會(ISO/IEC)和美國電信工業聯盟(TIA-TR42)研究起草。預計2002 年3~4 月推出，新壹代多模光纖也將作為10Gb/s 以太網的傳輸介質，被納入 IEEE10Git/s 以太網標準。新壹代多模光纖的英文縮寫 "NGMMF"(NewGenerationMultiModeFiber)已被國際通用，並可作為關鍵詞在國際網站查詢。目前，新壹代多模光纖的全面技術指標尚未正式公布，但從標準制訂的相關報道及有關技術網站中可以得到如下確切信息: 1.新壹代多模光纖的類型新壹代多模光纖是壹種50/125μm，漸變折射率分布的多模光纖。采用50μm 芯徑是因為這種光纖中傳輸模的數目大約是62.5 μm 多模光纖中傳輸模的1/2.5。這可有效降低多模光纖的模色散，增加帶寬。對850nm 波長，50/125μm 比62.5/125μm 多模光纖帶寬可增加三倍 (500MHz.km 比160MHz.km)。按IEEE802.3z 標準推薦，在1Gbit/s 速率下， 62.5μm 芯徑多模光纖只能傳輸270 米;而50μm 芯徑多模光纖可傳輸550 米。實際上最近的實驗證實:使用850nm 垂直腔面發射激光器(VCSEL)作光源，在 1Gbit/s 速率下，50μm 芯徑標準多模光纖可無誤碼傳輸1750 米(線路中含5 對連接器)，50μm 芯徑新壹代多模光纖可無誤碼傳輸2000 米(線路中含2 對連接器)。在10Gbit/s 下，50μm 芯徑新壹代多模光纖可傳輸600 米，而具有 200/500MHz.km 過滿註入帶寬的標準62.5μm 芯徑多模光纖只能傳輸35 米。 采用50μm 芯徑的另壹個原因是以前人們看中62.5μm 芯徑多模光纖的優點，隨技術的進步已變得無關緊要。在八十年代初中期，LED 光源的輸出功率低，發散角大，連接器損耗大，使用芯徑和數值孔徑大的光纖以使盡多光功率註入是必須考慮的。而當時似乎沒人想到局域網速率可能會超過100Mbit/s，即多模光纖的帶寬性能並不突出。現在由於LED 輸出功率和發散角的改進、連接器性能的提高，尤其是使用了VCSEL，光功率註入已不成問題。芯徑和數值孔徑已不再像以前那麽重要，而10Gbit/s 的傳輸速率成了主要矛盾，可以提供更高帶寬的50μm 芯徑多模光纖則倍受青睞。 2.新壹代多模光纖光源以往傳統的多模光纖網絡使用發光二極管(LED)做光源。在低速網絡中這是壹種經濟合理的選擇。但二極管是自發輻射發光，激光器是受激發射發光，前者載流子壽命比後者長，因而二極管的調制速率受到限制，在千兆比及其以上網絡中無法使用。另外，二極管與激光器相比，其光束發散角大，光譜寬度寬。註入多模光纖後，激勵起更多的高次模，引入更多波長成份，使光纖帶寬下降。幸運的是850nm 垂直腔面發射激光器(VCSEL)不但具有上述激光器的優點，而且價格與LED 基本相同。VCSEL 的其他優點是:閾值電流低，可以不經放大，直接用邏輯門電路驅動，在2Ggabit 速率下，獲得幾毫瓦的輸出功率;其850nm 的發射波長並不適用於標準單模光纖，正好用於多模光纖。在這壹波長下，可以使用廉價的矽探測器並有良好的高頻響應;另壹個令人矚目的優點是VCSEL 的制造工藝可以容易地控制發射光功率的分布，這對提高多模光纖帶寬十分有利。正是由於這些優點，新壹代多模光纖標準將采用 850nmVCSEL 做光源。 3.新壹代多模光纖的帶寬按上面敘述的激光器與發光管的比較來看，多模光纖使用激光器做光源，其傳輸帶寬應得到大幅度提高。但初步實驗結果表明，簡單地用激光器代替LED 做光源，系統的帶寬不僅沒有提高反而降低。經過 IEEE 專家組的研究發現，多模光纖的帶寬還與光纖中的模功率分布或註入狀態有關。在預制棒制作工藝中，光纖的軸心容易產生折射率凹陷。以前用LED 做光源，是過滿註入(OFL-OverFilledLaunch)，光纖的全部模式(幾百個)都被激勵，每個模攜帶自己的壹部分功率。光纖中心折射率的畸變只影響少數模式的時延特性，對光纖模帶寬的影響相對有限。所測出的多模光纖帶寬，對於用 LED 做光源的系統是正確的。也就是說可以用這樣測出的帶寬數據估算系統的傳輸速率和距離。但是，當用激光器做光源時，激光器的光斑僅幾微米，發散角也比LED 小，因而只激勵在光纖中心傳輸的少數模式，每個模式都攜帶相當大的壹部分功率，光纖中心折射率畸變對這些僅有的、少數模式時延特性的影響，使多模光纖帶寬明顯下降。因此不能用傳統的過滿註入(OFL)方法來測量用激光器做光源的多模光纖的帶寬。 新標準將使用限模註入法(RML-RestrictedModeLaunch)測量新壹代多模光纖的帶寬。用這種方法測出的帶寬叫"激光器帶寬"或"限模帶寬"，以前用LED 做光源測出的帶寬叫"過滿註入帶寬"。兩者分別表示用激光器和LED 做光源註入時的多模光纖帶寬。限模註入和多模光纖激光器帶寬的標準由TIAFO-2.2.1 任務組起草。目前已完成62.5μm 多模光纖檢測規程FOTP-203 和FOTP- 204(FOTP-FiberOpticTestProcedure)，內容如下: FOTP-203 規定了用來測量多模光纖激光器帶寬的光源的功率分布。要求光源經過壹段短的多模光纖耦合之後，其近場強度分布應滿足在中心30μm 範圍內光通量大於75%，在中心9μm 範圍內光通量大於25%。新標準中沒有推薦使用VCSEL 做光源對帶寬進行測量，這是考慮到不同廠家VCSEL 的光功率分布差別很大。 FOTP-204 規定使用限模光纖將光源耦合入多模光纖進行激光器帶寬測量。限模光纖用來對過滿註狀態進行濾波，限制對多模光纖高次模的激勵。限模光纖是壹段芯徑23.5μm，數值孔徑0.208 的漸變折射率多模光纖。這種多模光纖折射率梯度指數接近於2。在850nm 和1300nm 過滿註入條件下應有大於 700MHz.km 的帶寬。限模光纖的長度應大於1.5 米以消除泄漏模，並小於5 米以避免瞬態損耗。選取芯徑23.5μm 是因為其產生的註入狀態最接近VCSEL。 4.光源的註入 在實際使用中，激光器與多模光纖耦合可依照 Gbit/s 以太網標準推薦的法: ①偏置註入為避免上述激光器直接註入多模光纖出現的帶寬惡化情況，標準規定使用模式調節連線(ModeConditioningPatchCord-MCP)將激光器輸出耦合入多模光纖。模式調節連線是壹段短的單模光纖，它的壹端與激光器耦合，另壹端與多模光纖耦合。標準規定單模光纖輸出光斑故意偏離多模光纖軸心壹段距離，允許偏離的範圍是17~24μm，其目的是避開中心折射率凹陷，但又不偏離太遠，只是選擇性地激勵壹小組較低次模。 ②中心註入對折射率分布理想，沒有中心凹陷的多模光纖可以使用中心註入而不用模式調節連線。這樣做的優點是可以有效提高多模光纖的激光器帶寬，減少網絡系統的復雜性和降低系統成本，目前壹根模式調節連線約 80~100 美元。