渐变多模光纤的应用：多模光纤在数据中心中的应用

发布时间：2026-07-21阅读(4)

导读1.多模光纤的发展历史1.1多模光纤规范多模光纤主要用于数据通信。ISO/IEC11801在2002年9月颁布了新的多模光纤标准，将多模光纤重新分为OM1,....

1. 多模光纤的发展历史

1.1 多模光纤规范

多模光纤主要用于数据通信。ISO/IEC 11801 在2002年9月颁布了新的多模光纤标准，将多模光纤重新分为OM1,OM2和OM3三类，OM1和OM2为传统以LED为光源的多模光纤，OM3则为应用VCSEL光源、波长为850nm的50/125mm的激光优化光纤。2009年8月TIA通过了新的EIA/TIA492AAD定义的OM4多模光纤标准，OM4实际上是OM3光纤的升级版。

OM5光纤是采用VCSEL光源, 为短波长的波分复用（SWDM）设计的梯度型折射率分布、50/125 mm多模光纤, 与常规OM4光纤祗是在850nm波长附近有高带宽不同, OM5宽带多模光纤在850-950nm波长范围内都具有高带宽，适用于数据中心网络, 为未来100Gb/s到400Gb/s 多波长系统提供了光纤解决方案。OM5宽带多模光纤是早在2014年10月，为建立VCSEL激光优化另一个维度的系统, 由TIA提出建议、称之为宽带OM4的多模光纤, 于2016年10月正式定名为OM5宽带多模光纤。

OM5宽带多模光纤可在850nm到953nm波长范围内实现四波长波分复用, 如图1所示。波长λc 分别为853、883、914、946nm; 通带宽约为14nm, 防护带宽约为16nm。近年来由于1060nm VCSEL收发模块的开发成功，有望出现长波长多模光纤(波长从850nm到1060nm:损耗从2.3dB/km下降为0.95dB/km; 波长色散从 -90.42ps/nm.km下降到 -34.2ps/nm.km )。

图1 OM5多模光纤在850nm到953nm波长范围内实现四波长波分复用

1.2 弯曲损耗不敏感多模光纤

在数据中心的应用中弯曲损耗不敏感多模光纤的使用愈益广泛，它可以优化设计光缆、硬件及设备，以节约空间，提高冷却效率，便于连接及线缆管理。

弯曲不敏感OM3/ OM4多模光纤(bend insensitive multimode fiber, BIMMF)的折射率剖面结构基本与标准的多模光纤相似, 如图2所示。BIMMF的折射率剖面分布，在纤芯区与常规的50mm的多模光纤相同，祗是在近纤芯的包层区设置环沟型折射率下陷区（trench-assisted multimode fiber）。

在常规的多模光纤MMF中, 位于纤芯区的低价导模处于强导状态, 而在靠近纤芯-包层界面传播的高阶导模,因其有效折射率neff接近包层折射率n2, 故处于弱导状态。处于弱导状态的高阶导模在光纤弯曲半径太小时, 其光强会逸出纤芯, 造成光纤损耗。而在弯曲不敏感光纤BIMMF中，下陷的环沟型折射率分布区有两个界面，其内界面折射率从大到小，形成导光界面。由于此界面的存在，增强了光纤纤芯中导模的传导性，从而使原为弱导状态的高阶导模转化为强导状态，而下陷的环沟型折射率分布区的外界面折射率从小到大，形成折光界面。由于这一特殊的折射率剖面结构，在BIMMF光纤中存在着传导性的漏泄模（leaky mode）。漏泄模是本征方程在截止区外的解析连续，他们的场是相同的, 但其本征值或传播常数是本征方程的复数解,因而漏泄模在传播中有固有衰减而无法正常传播。漏泄模的有效折射率neff小于包层折射率n2。在常规多模光纤中，漏泄模耗衰得很快，因为常规光纤中没有折射率剖面结构可支持其在光纤中传播。而正是BIMMF光纤中，这一特殊的折射率剖面结构形式，强势地维持着在靠近纤芯-包层界面传播的高阶导模的传导性，从而有效地改善了光纤的抗弯曲性能。

图2 常规的多模光纤MMF和弯曲不敏感光纤BIMMF的模场

2. 宽带多模光纤的设计

梯度型折射率分布多模光纤的径向折射率n(r)可表示为：

其中, Δ为相对折射率差:

r为所述多模光纤中某个点距离芯层中心轴的径向距离，为芯层半径， n0为芯层中心的折射率，nc为包层折射率，α为芯层剖面折射率分布参数，

多模光纤的最佳折射率剖面分布参数αopt如下式所示:

其中

掺杂石英玻璃的折射率和波长的关系可由Sellmeier方程表示：

式中，Ai为振子强度因子，Li为振子波长因子。对于含有m种组分的玻璃，这两个因子由以下两个公式决定：

其中，Mj是第j种组分的摩尔浓度，Aij和Lij分别是该组分的振子强度和波长因子。

综合上述方程可以计算所述多模光纤在不同波长的优化αopt，其中αopt随传输波长变化非常明显。对于传统多模光纤，αopt对波长变化的敏感性非常高，当αopt一定时，其带宽性能通常在特定的工作波长下达到最优，当工作波长变大或变小，其带宽性能都会明显下降。因此，目前该传统多模光纤难以满足OM5技术的应用要求。

为了解决市场对光纤带宽容量不断提升的需求，非常有必要在高带宽且满足多模光纤标准的前提下降低最优αopt与波长之间的敏感性，优化带宽的多波长特性，设计出能够满足多波长范围的宽带多模光纤。通过纤芯掺杂结构的改变，调节参数为最佳值，使得多模光纤的渐变折射率剖面得到优化，从而能降低αopt与波长之间的敏感性，实现宽带性能的优化。宽带多模光纤的带宽/波长特性如图3所示，图中曲线1为未优化光纤，曲线2为经优化的宽带多模光纤的带宽/波长特性。

图3 宽带多模光纤的带宽/波长特性

3. 多模光纤的波长色散

对于使用850nmVCSEL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长的距离，因为系统带宽取决于光纤有效模式带宽和色散（与VCSEL的谱宽和光纤波长有关）的综合作用。如要增加系统带宽，除了光纤的模式带宽外，还需要优化色散值。这可以通过差分模式延迟（DMD）多模光纤补偿部分色散，也可使用更窄谱线宽度的850nm的VCSEL或工作在更低色散的长波区域。

多模光纤的色散包括模间色散(intermodal dispersion)和模内色散(intramodal dispersion)两部份, 在光纤数字信号传输中, 输入光脉冲在多模光纤中分成从基模到最高阶模的各阶模式, 每阶模式分别承载一部份脉冲功率, 在输出端重新组合成输出光脉冲, 但各模式因在光纤中的传输时间不同, 故而到达输出端的时间不同, 造成输出脉冲展宽, 此即模间色散。阶跃型折射率剖面的多模光纤模间色散很大，严重制约了光纤的传输速率，故采用梯度型折射率剖面的多模光纤, 使各阶模式在光纤中有基本相同的传输时间, 从而可显著减小模间色散，以增大传输速率。作为比较，阶跃型折射率剖面和梯度型折射率剖面的多模光纤的模间色散分别为84.76ns/km和0.18ns/km（NA=0.275, n1=1.487）。模内色散是指: 单一模式的脉冲是包含不同波长分量所组成的，不同波长分量因在光纤中传输时间不同, 造成输出脉冲展宽, 故模内色散又可称为波长色散(chromatic dispersion)。波长色散包括材料色散和波导色散两部份, 波导色散在单模光纤中起着重要作用, 但在多模光纤中可忽略不计, 因此多模光纤的模内色散, 或称波长色散主要就是指材料色散。材料色散是由材料的色散特性造成的脉冲展宽: 由于光纤材料（二氧化硅）的折射率在红外波段是波长的函数，即n=n(λ), 而光波在介质中的传播速度为v=c/ n(λ), c为光速, 这样, 光波的传播速度因随波长而变化, 从而产生材料色散。在1300nm波长上材料色散为零, 加上处于光纤的低损耗窗口,故而多模光纤的工作波长为850nm和1300nm。在波长为850nm处的波长色散系数可从多模光纤的零色散波长λ0和零色散斜率S0计算得到为0.105ns/nm.km (λ0为1343nm; S0=0.097ps/nm2.km)。由此可见，当光源谱宽(nm）较大时, 梯度型折射率剖面的多模光纤的波长色散会大于模间色散。因而在梯度型折射率剖面的多模光纤的技术规范中均会列出零色散波长λ0和零色散斜率S0的数值。采用VCSEL激光器作为光源的激光优化的光纤为50/125mm的梯度型折射率剖面的多模光纤, 工作波长为850nm。

4. 多模光纤的带宽测量

传统的多模光纤以LED为光源,多模光纤的满注入OFL（Over-filled Launch）带宽反映的是对光纤在LED光源环境下的带宽性能指标，通常可用时域（脉冲展宽）和频域(扫频)方法测量其带宽,并可通过富里哀变换进行相互转换。随着网络速率和规模的提高，调制速率达到10Gbit/s的短波长850nm的VCSEL激光光源成为高速网络的光源之一,因而OM3、OM4光纤的注入条件与LED光源完全不同, 需釆用综合VCSEL光源注入特性的有效模式带宽的测量方法，

有效模式带宽(Calculated Effective Mode Bandwidth) EMB方法:是将光纤的实测DMD输出时延响应U(r,t)与工作在850nm波长的VCSEL激光器的光强分布特性相结合, 通过计算方法得到的VCSEL光纤系统的带宽, 用以确定光纤在10Gbit/s以太网的使用性能。

EMB测量过程原理如图4所示, 步骤如下：

(a) 测出光纤的DMD, 即探测激光光源输出脉冲幅度对时间t和径向偏移r的分布函数U(r,t) ；

(b)将从VCSEL的径向强度分布函数(环型通量 Encircled Flux)数据导出的加权函数 W(r), 与DMD数据相结合, 得到光纤加权DMD函数；

(c)光纤加权DMD函数W(r)U(r,t) , 它反映了VCSEL的光功率分布特性；

(d) 将各径向偏移点r的DMD脉冲求和, 从而得到合成的光纤的输出脉冲响应：