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多模光纖的應用潛力
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。
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(xiàn)，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(wěn)定的市場份額，和其他品種同步發(fā)展。其原因是多模光纖的特性正好滿足了網(wǎng)絡用纖的要求。相對于長途干線，光纖網(wǎng)絡的特點是：傳輸速率相對較低；傳輸距離相對較短；節(jié)點多、接頭多、彎路多；連接器、耦合器用量大；規(guī)模小，單位光纖長度使用光源個數(shù)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，為什么網(wǎng)絡中不用單模光纖呢？這是因為上述網(wǎng)絡特點中彎路多損耗就大；節(jié)點多則光功率分路就頻繁，這都要求光纖內(nèi)部有足夠的光功率傳輸。多模光纖比單模光纖芯徑粗，數(shù)值孔徑大，能從光源耦合更多的光功率。網(wǎng)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(fā)光二極管（LED）高很多。尤其是網(wǎng)絡規(guī)模小，單位光纖長度使用光源個數(shù)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(wǎng)絡各有獨立的光源。如果網(wǎng)絡使用單模光纖配用激光器，網(wǎng)絡總體造價會大幅度提高。目前，垂直腔面發(fā)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(diào)制速率正好補償了LED 的缺點，使多模光纖在網(wǎng)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(wǎng)絡中使用可以“一次到位”的考慮是不全面的?？祵幑緦W(wǎng)絡中使用單模光纖和使用多模光纖的系統(tǒng)成本進行了計算和比較，使用單模光纖的網(wǎng)絡成本是多模光纖的4倍。使用62.5μm和50μm多模光纖的系統(tǒng)成本一樣，區(qū)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(tǒng)造價（多模系統(tǒng)B）比用金屬箍旋接的連接器，如FC型（多模系統(tǒng)A）的成本可減少1／2。
“62.5”的興衰和“50”的崛起
為適應網(wǎng)絡通信的需要，七十年代末到八十年代初，各國大力開發(fā)大芯徑大數(shù)值孔徑多模光纖（又稱數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)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(shù)據(jù)傳輸中使用，只用于功率傳輸?shù)忍厥鈭龊稀?5／125μm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。康寧公司1976年開發(fā)的50／125μm多模光纖和朗訊Bell實驗室1983開發(fā)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(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡中“較量”。
62.5μm芯徑多模光纖比50μm芯徑多模光纖芯徑大、數(shù)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(yè)標準。如AT＆T的室內(nèi)配線系統(tǒng)標準、美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）的局域網(wǎng)標準、美國國家標準研究所（ANSI）的100Mb／s令牌網(wǎng)標準、IBM的計算機光纖數(shù)據(jù)通信標準等。50／125μm多模光纖主要在日本、德國作為數(shù)據(jù)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(nèi)的多數(shù)國家均將62.5／125μm多模光纖作為局域網(wǎng)傳輸介質(zhì)和室內(nèi)配線使用。自八十年代中期以來，62.5／125μm光纖幾乎成為數(shù)據(jù)通信光纖市場的主流產(chǎn)品。
上述形勢一直維持到九十年代中后期。近幾年隨局域網(wǎng)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(wǎng)向1Gb／s發(fā)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(shù)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(yè)界紛紛提出重新啟用50／125μm多模光纖。經(jīng)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(shù)量的62.5／125μm多模光纖在局域網(wǎng)中安裝使用，IEEE802.3z千兆比特以太網(wǎng)標準中規(guī)定50／125μm和62.5／125μm多模光纖都可以作為1GMbit／s以太網(wǎng)的傳輸介質(zhì)使用。但對新建網(wǎng)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(wǎng)絡中使用多模光纖的規(guī)范，但網(wǎng)絡升級的發(fā)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，各大公司在近一兩年開發(fā)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。康寧在發(fā)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(wǎng)絡中使用以前給多模光纖配套的低成本系統(tǒng)?！?
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(yè)聯(lián)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(wǎng)的傳輸介質(zhì)，被納入IEEE10Git／s以太網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(shù)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。實際上近的實驗證實：使用850nm垂直腔面發(fā)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。
采用50μm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(yōu)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(fā)散角大，連接器損耗大，使用芯徑和數(shù)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(wǎng)速率可能會超過100Mbit／s，即多模光纖的帶寬性能并不突出?，F(xiàn)在由于LED輸出功率和發(fā)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(shù)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(tǒng)的多模光纖網(wǎng)絡使用發(fā)光二極管（LED）做光源。在低速網(wǎng)絡中這是一種經(jīng)濟合理的選擇。但二極管是自發(fā)輻射發(fā)光，激光器是受激發(fā)射發(fā)光，前者載流子壽命比后者長，因而二極管的調(diào)制速率受到限制，在千兆比及其以上網(wǎng)絡中無法使用。另外，二極管與激光器相比，其光束發(fā)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(fā)射激光器（VCSEL）不但具有上述激光器的優(yōu)點，而且價格與LED基本相同。VCSEL的其他優(yōu)點是：閾值電流低，可以不經(jīng)放大，直接用邏輯門電路驅(qū)動，在2Ggabit速率下，獲得幾毫瓦的輸出功率；其850nm的發(fā)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(yōu)點是VCSEL的制造工藝可以容易地控制發(fā)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(yōu)點，新一代多模光纖標準將采用850nm VCSEL做光源。
3.新一代多模光纖的帶寬
按上面敘述的激光器與發(fā)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(tǒng)的帶寬不僅沒有提高反而降低。經(jīng)過IEEE專家組的研究發(fā)現(xiàn)，多模光纖的帶寬還與光纖中的模功率分布或注入狀態(tài)有關。在預制棒制作工藝中，光纖的軸心容易產(chǎn)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(shù)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(tǒng)是正確的。也就是說可以用這樣測出的帶寬數(shù)據(jù)估算系統(tǒng)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(fā)散角也比LED小，因而只激勵在光纖中心傳輸?shù)纳贁?shù)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(shù)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(tǒng)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。
新標準將使用限模注入法（RML—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(guī)程FOTP—203和FOTP—204（FOTP—Fiber Optic Test Procedure），內(nèi)容如下：
FOTP—203規(guī)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(jīng)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(nèi)光通量大于75％，在中心9μm范圍內(nèi)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。
FOTP—204規(guī)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(tài)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(shù)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(shù)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(tài)損耗。選取芯徑23.5μm是因為其產(chǎn)生的注入狀態(tài)接近VCSEL。
4.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(wǎng)標準推薦的法：
① 偏置注入為避免上述激光器直接注入多模光纖出現(xiàn)的帶寬惡化情況，標準規(guī)定使用模式調(diào)節(jié)連線（Mode Conditioning Patch Cord—MCP）將激光器輸出耦合入多模光纖。模式調(diào)節(jié)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(guī)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。
② 中心注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注入而不用模式調(diào)節(jié)連線。這樣做的優(yōu)點是可以有效提高多模光纖的激光器帶寬，減少網(wǎng)絡系統(tǒng)的復雜性和降低系統(tǒng)成本，目前一根模式調(diào)節(jié)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(wǎng)中1300nm波長激光直接注入而不用模式調(diào)節(jié)連線的第一種多模光纖。(T004)
