数据中心用多模光纤技术及发展趋势

2019-10-17 15:05

随着光纤设计和制造工艺方面的进步，多模光纤的带宽得到了大幅提升。表1为不同类型的标准多模光纤，62．5 ?m的多模光纤具有较高的数值孔径和较大的纤芯，可将发光二极管光源（LED）耦合进光纤，支持10 Mbit／s乃至100 Mbit／s的速率下2 km的数据传输。随着以太网标准和低成本的850 nm VCSEL的发展，芯径为50 ?m光纤的多模光纤更受市场欢迎。该光纤具有更低的模式色散和更高的带宽，且VCSEL的光斑尺寸和数值孔径比LED更小，可以方便地将激光耦合到50 ?m光纤中。通过优化光纤制造工艺，采用先进的折射率控制技术，50 ?m多模光纤从OM2（500 MHz．km）发展至OM3（2 000 MHz．km），现在已发展为OM4（4 700 MHz．km）。

表1 不同类型多模光纤的带宽和链路距离

对于使用850 nm VCSEL的多模系统，进一步提高OM4多模光纤的带宽并不能使光模块传输更远的距离，因为系统带宽取决于光纤的有效模式带宽和色散（与VCSEL激光器的谱线宽度及光纤波长相关）的综合作用。如需要增加系统带宽，除了光纤的有效模式带宽外，还需要优化色散值。这可以通过的差分模式时延（DMD）多模光纤补偿部分色散，也可以使用更窄线宽的850 nm VCSEL或工作在色散更低的长波区域。

纤芯的最大相对折射率?0对最大带宽也有影响。因为带宽与1／?2成正比，如图4所示当纤芯?0从1％降至0．75％时，带宽将会加倍。但降低纤芯?0会加大弯曲损耗，需要通过优化光纤结构设计来改善其弯曲性能。

图4 多模光纤的带宽随纤芯相对折射率的变化曲线

3．弯曲不敏感多模光纤

数据中心的应用中，弯曲不敏感多模光纤的使用越来越广泛，它可以优化设计光缆、硬件和设备，以节约更多的空间、具有更好的冷却效率以及更方便的连接和线缆管理。图5为一个弯曲不敏感多模光纤的折射率剖面设计。纤芯为渐变折射率，包层有一个低折射率沟槽。沟槽减小了包层内的光功率，可以防光信号的泄露，从而改善光纤的弯曲性能。光纤设计时优化纤芯?和沟槽尺寸，在弯曲性能及与标准多模光纤的兼容性之间取得平衡。通过合理设计纤芯和沟槽，多模光纤可以实现OM4级别的高带宽和低弯曲损耗。图6所示为850 nm处测得的弯曲损耗对比，弯曲不敏感多模光纤的宏弯损耗比常规标准多模光纤低了10倍以上。

4．下一代多模光纤的发展

目前850 nm多模光纤的模式带宽最高的是OM4光纤，可支持100G系统100米的传输。如进一步提高模式带宽，则需要更为精细的控制折射率分布，这对生产工艺提出了更高要求，而且对产品的良率有较大影响。另一方面，系统总带宽受到光纤模式带宽和光纤色散的两方面因素限制，单一提高模式带宽对系统传输性能改善有限。这是因为受目前使用的VCSEL的线宽影响，多模光纤色散成为影响速率和链路距离最主要的限制因素。如果要增加系统传速率或传输距离，通常可以采用两种方法：使用单模光纤和单模激光器；或仍使用多模光纤，但采用更窄线宽的激光器，以限制多模光纤的入射模式。这两种方式的缺点是需要更昂贵的激光器，且光纤耦合过程需要更高的对准精度，这将导致更高和光模块的成本和连接成本。因此需要改进多模光纤技术来实现更高容量和更长距离的传输。对于新型多模光纤的研究，主要集中在下面几个方向。

4．1 长波多模光纤

长波优化的高带宽多模光纤（980 nm／1 060 nm或1 310 nm）与光源结合（如长波VCSEL），是实现较长距离高速率传输的一种可行方案。长波多模光纤系统保留了常规850 nm多模光纤低耦合损耗和易对准的优点，同时该光纤的色散和衰减值更低。如图7所示，光纤的色散和损耗随波长变化，在1060 nm波长处色散和损耗比850nm处均减少了一半，在1310 nm处色散几乎为0，而损耗仅是850 nm处的20％。工作于长波区域的低损耗低色散的多模光纤系统可实现更高的速率和更长的传输距离，近年来的一系列的实验结果也验证了这一结论：1310 nm的多模光纤结合1310 nm的硅光模块，实现了超过820 m的传输距离，1060nm多模光纤与1060 nm VCSEL激光器的结合实现了超过500m的传输（以上实验均为100G速率）。