多模光纖技術發展及其網絡應用

　　 

多模光纖的應用潛力
　　　九十年代多模光纖在世界光纖市場一直占有穩定分額。表1為美國EelectroniCast公司1996年對北美1995～2005年多模光纖市場規模的統計及預測。表2為美國KMI公司1997年公布的世界光纖市場調查與預測。

表3為1998年SPIE會議發表的歐洲光纖市場報告。表4為2000年7月美國KMI公司發布的1999年世界光纖市場統計?！　谋碇袛祿梢钥吹?，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。北美比這一大致平均比例偏高。表4中世界多模光纖用量和銷售額的比例分別為4％和11％，這是由于當年非零色散位移光纖猛增159％，達到1260萬公里，使其他品種比例下降，多模光纖實際用量仍保持相應水平?！　　　∑呤甏饫w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，但多模光纖并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。相對于長途干線，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?！　鬏斔俾实秃蛡鬏斁嚯x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，為什么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，干線中可能幾百公里用一個光源，而十幾公里甚至幾公里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“一次到位”的考慮是不全面的?？祵幑緦W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一樣，區別在于不同種類的連接器。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?！?2.5”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?？傮w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，只用于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IEC　SC　86A　GW1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?？祵幑?976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，一直在數據通信網絡中“較量”?！　?2.5μm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。但由于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?！　∩鲜鲂蝿菀恢本S持到九十年代中后期。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62.5／125μm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，一般首選50／125μm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。第一種為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。新一代多模光纖　　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范，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。為了解決這一問題，各大公司在最近一兩年開發推出了幾種新品種多模光纖，如康寧的InfiniCor　CL1000和InfiniCor　CL2000，朗訊的Lazr—SPEED，阿爾卡特的GIGAlite等?？祵幵诎l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?！薄　≡谏鲜霰尘盎A上，美國康寧和朗訊等大公司向國際標準化機構提出了“新一代多模光纖”概念。新一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，新一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。新一代多模光纖的英文縮寫“NGMMF”（New　Generation　Multi　Mode　Fiber）已被國際通用，并可作為關鍵詞在國際網站查詢。目前，新一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.新一代多模光纖的類型　　新一代多模光纖是一種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62.5μm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芯徑新一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芯徑新一代多模光纖可傳輸600米，而具有200／500MHz.km過滿注入帶寬的標準62.5μm芯徑多模光纖只能傳輸35米?！　〔捎?0μm芯徑的另一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注入是必須考慮的。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并不突出?，F在由于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，光功率注入已不成問題。芯徑和數值孔徑已不再像以前那么重要，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.新一代多模光纖光源　　以往傳統的多模光纖網絡使用發光二極管（LED）做光源。在低速網絡中這是一種經濟合理的選擇。但二極管是自發輻射發光，激光器是受激發射發光，前者載流子壽命比后者長，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。注入多模光纖后，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的發射波長并不適用于標準單模光纖，正好用于多模光纖。在這一波長下，可以使用廉價的硅探測器并有良好的高頻響應；另一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。正是由于這些優點，新一代多模光纖標準將采用850nm　VCSEL做光源?！　?.新一代多模光纖的帶寬　　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注入狀態有關。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，是過滿注入（OFL—OverFilled　Launch），光纖的全部模式（幾百個）都被激勵，每個模攜帶自己的一部分功率。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，對于用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一部分功率，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注入（OFL）方法來測量用激光器做光源的多模光纖的帶寬?！　⌒聵藴蕦⑹褂孟弈Ｗ⑷敕ǎ≧ML—Restricted　Mode　Launch）測量新一代多模光纖的帶寬。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“過滿注入帶寬”。兩者分別表示用激光器和LED做光源注入時的多模光纖帶寬。限模注入和多模光纖激光器帶寬的標準由TIA　FO—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—Fiber　Optic　Test　Procedure），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。要求光源經過一段短的多模光纖耦合之后，其近場強度分布應滿足在中心30μm范圍內光通量大于75％，在中心9μm范圍內光通量大于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?！　OTP—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注狀態進行濾波，限制對多模光纖高次模的激勵。限模光纖是一段芯徑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于2。在850nm和1300nm過滿注入條件下應有大于700MHz.km的帶寬。限模光纖的長度應大于1.5米以消除泄漏模，并小于5米以避免瞬態損耗。選取芯徑23.5μm是因為其產生的注入狀態最接近VCSEL?！　?.光源的注入　　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：　?、佟∑米⑷搿　楸苊馍鲜黾す馄髦苯幼⑷攵嗄９饫w出現的帶寬惡化情況，標準規定使用模式調節連線（Mode　Conditioning　Patch　Cord—MCP）將激光器輸出耦合入多模光纖。模式調節連線是一段短的單模光纖，它的一端與激光器耦合，另一端與多模光纖耦合。標準規定單模光纖輸出光斑故意偏離多模光纖軸心一段距離，允許偏離的范圍是17～24μm，其目的是避開中心折射率凹陷，但又不偏離太遠，只是選擇性地激勵一小組較低次模?！　、凇≈行淖⑷搿　φ凵渎史植祭硐?，沒有中心凹陷的多模光纖可以使用中心注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，目前一根模式調節連線約80～100美元?？祵幑就瞥龅腎nfiniCor　CL　1000（62.5μm芯徑）和InfiniCor　CL　2000（50μm芯徑）是目前千兆比以太網中1300nm波長激光直接注入而不用模式調節連線的第一種多模光纖?！　　　　　　　　　　?br /> 5.新一代多模光纖對制作工藝的要求　　上面已經說明不用模式調節連線而使激光直接注入多模光纖的各種優點。當然這需要沒有折射率中心凹陷的多模光纖，目前已有多家光纖制造廠商宣布他們可以生產這種光纖。對于新一代多模光纖的制造，大多數廠家選擇管內工藝，即MCVD或PCVD?！　⊥ㄟ^使用微分模時延技術（DMD—Differential　Momd　Dely）來精確測量折射率分布并配合工藝的改進制造新一代多模光纖。朗訊和原SpecTran都使用了這種技術。以前折射率近場分布（RNF—Refracted　Near　Field）測量的折射率差分辨率低，而DMD是直接測量不同模在光纖中傳輸的相對時延差，并且有更高的分辨率。這為有效控制多模光纖的模色散提供了直接、可靠的工藝依據。結　論　　1.多模光纖一直是網絡傳輸介質的主體，在世界光纖市場占有穩定份額。隨著網絡傳輸速率的升級和垂直腔面發射激光器（VCSEL）的使用，新一代多模光纖的國際標準即將問世。在單模光纖干線應用增長速率逐步趨于飽和的形勢下，新標準的出臺無疑將促進網絡應用的發展并為多模光纖新品種的開發和產業生機帶來新的機遇?！　?.從理論上說，雖然網絡傳輸介質還有塑料光纖、五類或六類等電纜、藍牙無線通信等方案，它們有各自的優點。但從技術水平和系統應用的角度分析，多模光纖仍是不可替代的首選。塑料光纖傳輸損耗目前在幾到十幾dB／km，1～3Gbit／s的全氟梯度折射率塑料光纖剛在日本研究機構和大學開發成功，尚未投入商用。其損耗和帶寬特性尚不好和多模光纖比較。塑料光纖的另一缺點是阻燃性不如石英光纖。五類或六類電纜隨傳輸速率的提高損耗迅速上升，五類電纜在100MHz傳輸速率下，每100米損耗為22dB。藍牙技術不用布線而且可以和移動終端相連，但作用距離有限，要進入局域網還要經過光電轉換。這些技術今后會（現在已經）在某些適合場合使用，但從局域網應用的總體看，多模光纖在近一二十年內仍將占主導地位?！　?.世界多模光纖供求形勢不象干線用大批量單模光纖那樣急劇變化。我國多模光纖曾有批量出口，國內需求亦穩中有升。隨著新一代多模光纖國際標準的出臺、網絡用纖增長的加快和我國已進入世貿組織等大環境的形成，建議國內新建光纖產業適當考慮多模光纖的開發和生產，滿足國內外市場新發展的需求。建議研究單位及時跟蹤國際新標準內容、新標準實施后市場和產業動向；盡快掌握新一代多模光纖的制作工藝和測試技術，與世界光纖新技術發展接軌；進而像武郵院那樣爭取參與國際光纖通信領域新標準的制訂。

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