10G以太網(wǎng)多模光纖

　　1.簡 介

　　爆炸性增長的信息傳輸需求和光通信技術(shù)的飛速發(fā)展正支持著通信網(wǎng)絡(luò)向著更高速率更大容量的方向迅猛推進。由于Internet的使用，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟪尸F(xiàn)出爆炸性的幾何級數(shù)般的增長，因此對網(wǎng)絡(luò)傳輸速度的要求也是日甚一日。在局域網(wǎng)(LAN)方面，雖然存在各種制式和協(xié)議，但有一點是相同的，即不停地提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度。以以太網(wǎng)為例，90年代以來，以太網(wǎng)技術(shù)的引入以及個人計算機和工作站的較高利用率推動著局域網(wǎng)的發(fā)展。當(dāng)今，新一代多媒體、群件(Groupware)、影像傳輸和數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品的信息量猛增使速率為10Mb/s的以太網(wǎng)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，從而迫使以太網(wǎng)向更高的速度發(fā)展。

　　其傳輸速度從10Mbit/s(低速以太網(wǎng))到100Mbit/s(高速以太網(wǎng))。IEEE在1998年通過了IEEE802.3z的Gigabits以太網(wǎng)(GbE)標(biāo)準(zhǔn)。10Gigabit的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3ae獲得通過。

　　IEEE802.3ae標(biāo)準(zhǔn)定義了光纖作為10GbE網(wǎng)絡(luò)的傳輸媒介，包括單模光纖和多模光纖。標(biāo)準(zhǔn)給出的在850nm波長，多模光纖的傳輸距離從普通62.5/125mm 梯度多模光纖的28米到激光優(yōu)化(Laser-Optimized)多模光纖的300米不等。要求達到300米的傳輸距離，普通的多模光纖是無能為力，必須優(yōu)化光纖的制備工藝，精確控制光纖的生產(chǎn)過程，以開發(fā)新的激光優(yōu)化的多模光纖。

　　本文由10G以太網(wǎng)的要求，介紹了新的激光優(yōu)化多模光纖的性能特征。以及長飛光纖光纜有限公司憑借PCVD (Plasma-activated Chemical Vapor Deposition)工藝的優(yōu)勢，所開發(fā)的符合10G以太網(wǎng)傳輸標(biāo)準(zhǔn)的激光優(yōu)化多模光纖―超貝光纖。

　　2.10G以太網(wǎng)多模光纖

　　10G以太網(wǎng)使用LD(Laser Diode)作為光源和多模光纖為傳輸媒介。為了在850nm波長窗口在多模光纖上達到300米以上的傳輸距離，標(biāo)準(zhǔn)TIA/EIA-455-203[3]和TIA/EIA-492AAAC[4]分別對注入條件和光纖的性能進行了定義。其中要求入纖光功率分布符合FOTP-203標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)TIA/EIA-492AAAC規(guī)定了850nm波長激光優(yōu)化的50/125mm梯度折射率多模光纖的具體指標(biāo)。對光纖帶寬的要求為：在滿注入OFL(Over-Filled Launch)條件下(TIA/EIA-455-204)[5]，850nm的OFL帶寬大于等于1500MHz·km，1300nm的OFL帶寬大于等于500MHz·km。同時對纖芯的差分模延遲DMD (Differential Mode Delay) 測試(TIA/EIA-455-220)必須在表1所給出的模板范圍內(nèi)。

　　多模光纖的滿注入OFL(Over-filled Launch)帶寬反映的是對光纖在LED光源環(huán)境下的帶寬性能指標(biāo)，測試時，多模光纖的所有傳導(dǎo)模式均被激發(fā)[6]。而激光優(yōu)化多模光纖的DMD測試必須遵從TIA/EIA-455-220[7]標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)定義了DMD測試的整個過程，包括光源，定位裝置，接收系統(tǒng)以及測試程序。標(biāo)準(zhǔn)要求注入待測光纖的光斑必須是單模的，在850nm波長，其模場直徑約在5mm，而且對光脈沖的時域脈寬和譜寬也做了詳細的規(guī)定?？傊?，單模的，足夠短，以及窄譜寬的光脈沖是好的。同時對定位系統(tǒng)的精度，注入脈沖的耦合條件，以及接收系統(tǒng)的線性和響應(yīng)也給出了各自的要求。需要專門的DMD測試裝置。

　　根據(jù)IEEE802.3ae標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)光源的功率分布符合TIA/EIA-455-203 標(biāo)準(zhǔn)，同時多模光纖的性能符合TIA/EIA-492AAAC標(biāo)準(zhǔn)時，在850nm波長，保證光纖的有效帶寬EBW(Effective Bandwidth)大于2000MHz·km，在10Gigabit的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中達到300米以上的傳輸距離。

　　3.超貝光纖

　　為什么在100Mbps時可以支持2000米的多模光纖，在1Gbps時只能支持550米?主要原因正是由于多模光纖的DMD現(xiàn)象。經(jīng)過測試，我們發(fā)現(xiàn)，多模光纖在傳送光脈沖時，光脈沖在傳送過程中會發(fā)散展寬，當(dāng)這種發(fā)散狀況嚴(yán)重到一定程度后，前后脈沖之間會相互疊加，使得接受端根本無法準(zhǔn)確分辨每一個光脈沖信號，這種現(xiàn)象我們稱為DMD(Differential Mode Delay)。其主要原因在于：一、纖芯折射率分布的不完美。普通多模光纖由于預(yù)期使用于LED光源的網(wǎng)絡(luò)，在滿注入條件下，脈沖能量主要分布在中間模式群，高階模式群和低階模式群的影響相對不明顯。但在DMD測試中，在不同的入射位置，這些高階模式群和低階模式群的影響將導(dǎo)致光脈沖變形和分裂。二、光纖的中心凹陷。光纖的中心凹陷是指在纖芯中心的折射率明顯下降的現(xiàn)象。這種凹陷和光纖的制造過程有關(guān)。這種中心凹陷將極大地影響光纖的傳輸特性，降低光纖的性能[8]。

　　因此精確控制光纖的折射率分布和消除中心凹陷是10G以太網(wǎng)多模光纖(超貝光纖)研發(fā)的主要任務(wù)。長飛公司使用PCVD方法生產(chǎn)光纖預(yù)制棒。PCVD是制造多模光纖的首選方法，具有沉積層數(shù)多，剖面控制精確的特點，其幾千層的沉積過程能夠有效的控制沉積層的攙雜量以獲得與理論要求符合的折射率分布。同時在融縮過程中，通過控制腐蝕量和中心孔的大小避免中心凹陷的出現(xiàn)。

　　圖1是所制備的一根預(yù)制棒的芯層折射率分布曲線。其實際折射率分布和理論值吻合的非常好。表2是本預(yù)制棒所拉制的部分光纖的滿注入帶寬和DMD測試結(jié)果。比較表1可以發(fā)現(xiàn)，所拉制光纖的滿注入帶寬和DMD測試結(jié)果完全符合TIA/EIA-492AAAC標(biāo)準(zhǔn)。圖2是光纖的DMD測試曲線。其中(a)圖橫坐標(biāo)表示時間，縱坐標(biāo)表示多模光纖端面的不同注入位置，測試從-25mm到25mm。(b)圖是對(a)圖的處理結(jié)果，橫坐標(biāo)是歸一化的位置，而縱坐標(biāo)是不同位置脈沖的相對時間延遲。

　　4.結(jié)論

　　10G以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3ae的通過，將一個10G以太網(wǎng)市場真實的呈現(xiàn)出來。開發(fā)符合萬兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的通訊產(chǎn)品已是當(dāng)務(wù)之急。長飛光纖光纜有限公司應(yīng)用PCVD方法，通過精確控制芯層折射率分布，和有效消除中心凹陷，已經(jīng)成功的開發(fā)出了符合TIA/EIA-492AAAC標(biāo)準(zhǔn)，激光優(yōu)化的50/125mm梯度折射率分布多模光纖產(chǎn)品。滿注入帶寬和DMD測試結(jié)果表明，在850nm波長，該光纖可以支持10Gigabit網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)300米以上的傳輸距離。同時，該光纖同樣支持10Gigabit的Fibre Channel和10Gigabit的OIF(Optical Internetworking Forum)標(biāo)準(zhǔn)，并兼容低速率LED光源的網(wǎng)絡(luò)傳輸。

　　參考文獻

　　[1] IEEE802.3ae (10GEthernet)

　　[2] 沈彤等，萬兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)敲定 10G邁進一大步，中國計算機報

　　[3] TIA/EIA-455-203, Launched Power Distribution Measurement Procedure for Graded-Index Multimode Fiber Transmitters

　　[4] TIA/EIA-492AAAC, Detail specification for 850nm laser-optimized 50mm core diameter/125mm cladding diameter la graded-index multimode optical fibers

　　[5] TIA/EIA-455-204, Measurement of Bandwidth on Multimode Fiber

　　[6] 汪洪海，用于Gigabit以太網(wǎng)的新一代多模光纖，光纖通信信息集錦，2002，126-129

　　[7] TIA/EIA-455-220, Differential Mode Delay Measurement of Multimode Fiber in the Time Domain

　　[8] 汪洪海等，Gigabit以太網(wǎng)多模光纖的發(fā)展，通信世界，14，2002，74-75

　　作者介紹：涂峰，1980年出生，2000年畢業(yè)于華中理工大學(xué)物理系，獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位;2002年獲華中科技大學(xué)材料物理與化學(xué)專業(yè)工學(xué)碩士學(xué)位，現(xiàn)在長飛光纖光纜有限公司研發(fā)部任研發(fā)工程師，從事多模光纖以及特種光纖的研發(fā)工作。