短达数据中心和企业网络通常使用多模光纤连接网络设备. 多模光纤与铜光纤、单模光纤等其他替代光纤相比有许多优点, providing the most cost effective, 在这些应用中通常遇到的短距离高容量链路. It has significantly more b和width, or information carrying ability, than copper, 同时可以使用低成本的基于vcsel的光学器件,这些器件不是为单模光纤中更小的芯设计的. Multimode fiber links continue to be more economical than single-mode fiber for short reach applications due to the cost of the optics. Learn more about single mode vs multimode fiber.

OFS是多模光纤行业的领先者,起源于AT&T Bell Labs. 在20世纪90年代末和21世纪初,OFS在激光优化OM3和OM4多模光纤的发展中发挥了关键作用, 在OM5宽频带多模光纤的研制和标准化中起着关键作用.

One of the most important multimode fiber parameters is b和width, which defines the information carrying capacity of the fiber. OFS在开发和标准化新的创新方法方面处于领先地位,能够准确提供与观测到的系统性能一致的光纤带宽值. This paper explains multimode fiber b和width, how it is measured, 和 how it relates to the fiber’s actual performance.

带宽决定了光脉冲在光纤中传播时所经历的信号色散量. 带宽测量对发射和接收信号都很敏感. As a result, there are several different designations for b和width, 以及测量多模光纤带宽的不同方法. 重要的是要了解带宽是如何确定的,哪些带宽测量是适合使用在今天的激光应用.

How Multimode Fiber Works

在多模光纤中,光通过许多不同的路径或模式传输. 理想的渐变折射率多模光纤会通过减慢在芯中心附近较短路径上传播的模式来补偿不同的路径长度(图1), 红色), while allowing light that travels further (figure 1, green) to move more quickly.

Multimode Fiber Modal Dispersion
Multimode Fiber – Figure 1.

在理想光纤中,所有的模式同时到达接收器. In reality, 补偿不是完美的,模式到达略有不同的时间导致脉冲传播. 这种扩散称为模态色散,与带宽成反比.

模式以光脉冲形式通过多模光纤传输. 因为光纤不能完全补偿通过连接的传输时间, the pulse widens (Figure 2).

Figure 2
Figure 2.
图3
图3.

如果光脉冲太近(更高的传输速率)或如果光纤的模态/色带宽很低, 脉冲混合在一起,使探测器无法分辨信号(图3).
脉冲的扩散(色散)是由两个主要因素引起的, modal dispersion 和 chromatic dispersion. 色散的产生是因为多模光源(VCSEL)不发射单一波长的光. 较长的波长以稍快的速度传播,导致脉冲扩散. 多模光纤的色散是光纤组成的函数, 和 while it varies in magnitude with wavelength, it is relatively similar in all multimode fibers.

模态色散由光纤的折射率分布控制. 光纤设计的目的是补偿不同的距离,每个模式传播, 但纤维中的小缺陷会导致一些脉冲扩散. 这种扩散的量限制了脉冲之间的距离, 反过来, the number of bits that can be transmitted in a given time period. Modal b和width measures the quality of a fiber’s index profile, with higher b和width reflecting higher quality fiber.

图4. LED Launch
Figure 5. VCSEL Launch

Overfilled Launch (OFL) B和width

在1998年之前,大多数多模光纤传输系统使用发光二极管(LED)光源. 这些光源使多模光纤充满光,使其“充盈”. In other words, 光源完全填充了光纤中所有可用的模态路径(图4). Since each mode was equally filled, b和width performance was equally dependent on each mode, with a given fiber exhibiting uniform, repeatable performance independent of the LED used. Overfilled b和width, sometimes referred to as overfilled modal b和width (OMB), 量化了多模光纤对所有LED光源的信息承载能力, since they provided a consistent launch. LED sources were typically used for lower speed (<1Gb/s) applications because of chromatic dispersion limitations due to the wide spectral width of LED sources versus laser sources.

Figure 6. OM3 (left) & OM4 (right) DMD Examples

Effective Modal B和width (Laser B和width)

With the advent of 1 和 10 Gb/s applications, 介绍了垂直腔面发射激光器(VCSEL)光源. Because the VCSEL sources had 狭窄的er spectral widths than LEDs, chromatic dispersion was greatly minimized. However a new problem arose. vcsel不能在整个多模核上提供均匀的光. 相反地,游戏的发行是“不充分的”,并不是所有的模式都是相同的(图5). Launches vary from VCSEL to VCSEL, 因此,当用同一根光纤使用另一根VCSEL时,一条VCSEL光纤链路的带宽可能不相同. 这意味着,过载带宽(overfilled b和width, OMB)值不能准确地反映基于VCSEL的源的系统性能. 结果,一种确定激光带宽的新方法被创造出来.

差分模态延迟(DMD)用于测量有效模态带宽(EMB)。, often referred to as “laser b和width” of multimode fibers. In DMD testing, 狭窄的, 高能激光脉冲通过光纤传输1或2微米级跨越整个光纤核心. 每一步只激发少量模态,并记录其相对到达时间(图6). 光纤的DMD是所有模态在所有步骤中最早到达和最近到达时间的差值. 图6中右边的DMD图显示了脉冲的近乎完美的排列, indicating a low DMD value of an OM4 fiber; while the left plot shows some misalignment, enough to downgrade the fiber to OM3 b和width.

TIA和IEC标准允许两种方式使用DMD测试结果来验证激光带宽:1)DMD掩模法, 和 2) the EMBc Method. 这两种方法都需要DMD测试——区别在于如何使用和解释数据. DMD掩模方法是一个直接的过程,它直接将DMD测试结果与一组规格(称为模板或掩模)进行比较,以查看光纤是否具有必要的性能. 这是一个直接的方法-如果光纤通过这些DMD要求, then it complies with the st和ards.

EMBc方法采用DMD结果,并将它们与一组理论“加权函数”进行匹配,这些“加权函数”旨在表示所有顺从vcsel可能的径向发射功率分布. DMD结果与10个加权函数中的每一个进行数学组合. This produces 10 different calculated EMB values. 然后将最小值(称为minEMBc)乘以1.13 to obtain the fiber’s EMB value. If EMB is ≥ 4700 MHz-km, the fiber meets OM4 requirements, while an EMB value ≥2000 MHz-km meets the OM3 specification. 值得注意的是,EMBc值并不一定反映所有vcsel获得的链路性能. 而不是, 它代表了10种用于模拟人造VCSEL粒子群的理论VCSEL的最差预期性能. In some cases, 给定链接的实际性能可能比EMBc值所显示的要好得多.

OFS uses both the DMD 和 EMBc method to classify their LaserWave® FLEX 550 (OM4) 和 LaserWave FLEX 300 (OM3)光纤,为全球行业标准提供强大的验证.

OM5 Multimode Fiber 和 Wavelength Division Multiplexing

Fiber b和width is also dependent on the transmission wavelength. 设计了激光优化的OM3和OM4多模光纤,并对其在850nm工作时的最大带宽进行了优化. At higher 和 lower wavelengths, b和width diminishes.

在更宽的波长范围内保持更高的带宽性能, OM5 wide b和 multimode fiber was introduced. OM5光纤利用波分复用(WDM)传输协议,如BiDi和SWDM4™收发器. 这些设备在一个多模光纤上传输多个波长,以提高数据速率,而无需使用更多的光纤. 这与CWDM和DWDM系统中单模使用的技术相同.

工业标准已采用OM5作为公认的多模光纤, 支持100Gb/s的传输,使用25Gb/s的流,在四个波长的850-950nm范围内工作. TIA-492AAAE是第一个宽带多模光纤标准,于2016年6月发布. OM5 was then added to the TIA cabling st和ard, TIA-568.3-D. International st和ards followed, with publication of the IEC-60793-2-10 multimode fiber st和ard, 以及2017年11月ISO/IEC 11801-1电缆标准的发布. TIA-492AAAE和IEC 60793-2-10包含850nm和953nm的EMB和OMB规格, 以及在840-953nm范围内的EMB性能准则,供光学元件制造商在设计其收发器时使用.

OFS公司的激光宽带光纤满足并超过OM5宽带光纤的TIA和IEC要求. It supports current WDM applications, including BiDi 和 SWDM4 links, 和 is designed to support future generations of WDM products.

Work has begun in an IEEE 802.3下一代多模光纤研究小组,正在研究使用更少的多模对来支持200和400Gb/s以太网标准的开发. 这个小组将评估将WDM解决方案纳入以太网标准的情况.

这些解决方案提供了进一步提高单个多模光纤的信息承载能力,在今天的应用中,通过将链路中的波长从一个增加到四个. In the future, 通道之间更紧密的波长间距可用于进一步增加容量.

Conclusions:

Multimode fiber continues to evolve, 支持企业和数据中心网络的最新网络速度. 多模技术通过利用先进的技术,结合光纤和光学组件的开发,保持了其提供最具成本效益的短距离链路的能力. Fiber b和width is a critical component of this equation.

对于不同类型的光源有两种不同的模态带宽测量方法. 基于LED的老旧系统,速度低于1Gb/s,使用过满带宽(OFL). 较新的基于激光的VCSEL系统使用有效模态带宽(EMB)来确定多模光纤的性能. OFL不能用来确定光纤的基于激光的性能,或EMB. 这一确定必须使用DMD和使用一套口罩来完成, or calculating an EMB based on the 10 weighting functions. 对于今天的激光系统,EMB是关键的带宽参数,而不是OFL.

新标准已经被开发用于下一代多模波分复用光纤,这些光纤在一个波长范围内指定了EMB. Optical solutions using multimode WDM are available, IEEE也开始考虑采用这种新技术的短距离多模解决方案.

This article originally appeared in Network Telecom Magazine.

Learn more about our Multimode Fibers.

John Kamino, RCDD
Eileen Zhang

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