万兆多模与DMD测试技术


众所周知 , 光缆系统在传输光信号时 , 离不开光收发器和光纤 。 光收发器的种类主要有两大类:发光二极管(LED)和激光发光器(Laser) 。 虽然在性能上 , 激光发光器远远优于发光二极管 , 但是由于制造成本的问题 , 使绝大多数局域网用户一直难以负担激光发光器的高昂价格 。 直到最近 , 一种新型发光器件垂直腔表面发光器VCSELs(Vertical cavity surface emitting lasers)的出现 , 才解决了这个问题 。 VCSELs吸收了激光发光器件的性能优势如响应速度高 , 传输光谱窄 , 和发光二极管的优势如藕合效率高及成本低廉 。 因此 , 采用低成本高性能的VCSELs发光器件 , 配合多模光缆的方式可以传输高达10Gb/s的信号 。
但是 , 另一个问题又出现在用户面前 , 即传输距离 。 使用光缆的用户除了传输速率外 , 还对传输距离有要求 。 实验证明 , 传统多模光缆 , 不论是50μm还是62.5μm , 虽然可以支持10Gb/s的网络传输 , 但其支持距离都在100米以内 , 这对网络主干的应用是根本无法满足的 。
多模光纤的传输瓶颈--DMD
为什么在100Mbps时可以支持2000米的多模光纤 , 在1Gbps时只能支持550米?其主要原因正是由于多模光纤的DMD现象 。 经过测试 , 我们发现 , 多模光纤在传送光脉冲时 , 光脉冲在传送过程中会发散展宽 , 当这种发散状况严重到一定程度后 , 前后脉冲之间会相互叠加 , 使得接受端根本无法准确分辨每一个光脉冲信号 , 这种现象我们称为DMD(Differential Mode Delay) 。 产生的主要原因在于 , 多模光纤中同一个光脉冲包含多个模态分量 , 从光传输的角度看 , 每一个模态分量在光纤中传送所走的路径不同 , 例如 , 沿光纤中心直线传送的光分量 , 与通过光纤包层反射传送的光分量具有不同的路径 。 从电磁波角度看 , 在多模光纤内径中的这个三维空间内包含着很多模态(300-1100)分量 , 其构成十分复杂 。
当我们采用像LED这样的发光器件时 , 面光源LED发射的光充满在整个光纤中(我们称为overfilled模型) 。 光能量均匀分布在所有的模态分量中 。 由于不同路径传送的光分量到达时间存在差异 , 因而光脉冲会逐渐变宽 。 但是 , 由于能量均匀分布 , 每一个光分量对整个光脉冲的影响反而很小 , 在技术上 , 我们将这种带宽称为Overfilled Launch Bandwidth(OFB);当我们把LED换成Laser时 , 情况会变得不同 , 由于激光只包含很少几个模态分量 , 因而每个光分量携带的能量十分集中 , 这样一来每个光分量反而会对整个光脉冲产生重要的影响 。 举一个极端的例子 , 如果只存在两个模态分量 , 它们到达的时间不同 , 因而会导致整个光脉冲的严重发散 。
由于LED发光器件本身的性能局限 , 在1Gbps以上的高速应用中 , 发光器件主要采用激光发光器件,而传统多模光纤从标准上和设计上均以LED方式为基础 , 因此 , 由于两种发光器件传输方式的不同 , 必须对光纤本身进行改造 , 以适应光源的变化 。 因此 , ISO/IEC 11801着手制定了新的多模光纤标准等级 , 即OM3类别 , 并在2002年9月正式颁布 。 而Avaya公司的SYSTIMAX SCS结构化布线系统中 , 已经先于国际标准推出了我公司的OM3型多模光纤-LazerSPEED解决方案 , 针对目前潜在的10Gb/s网络应用 。
ISO标准中对多模光纤的重新分类 , OM1指目前传统62.5μm多模光纤 , OM2指目前传统50μm多模光纤 , OM3是新增的万兆光纤 。 注意光纤带宽指标的两种模式 , Overfilled Launch Bandwidth是针对LED发光器件的匹配指标 , 而Laser Bandwidth是针对新型激光发光器件的匹配指标 。 OM3光缆同时在两种模式下都进行了优化 。 另外一个需要注意的是传送波长的选择 , 850nm还是1300nm 。 虽然波长越长 , 性能会越好 , 但是发光器件的造价会成倍增长 , 因此 , 用户如果可能 , 尽量选择短波长应用系统以降低成本 。 例如 , 新型VCSELs发光器件就是以短波长为应用环境 , 而标准Laser发光器件主要用于长波长环境 。
OM3光纤的测试问题
DMD测试的主要步骤是:采用一根5μm的单模探针与被测OM3光纤相连 , 通过单模探针不断向被测光纤发生光脉冲 , 与此同时 , 探针进行扫描移动 , 从光纤轴心向边缘移动 , 每次移动大约1μm 。 在接收端 , 每个位置的光脉冲都会被记录并叠加在同一个时域图上以形成DMD指标 。 到达光脉冲会由于不同路径产生时间差 , 同时由于光脉冲本身会发散 , 将这两方面的差异相加 , 根据标准比对 , 用以判定OM3光纤是否满足标准 。
由于上述测试需要极其精密的设备 , 和测试方法 。 目前用户不可能在现场进行测试 , 只能由专门的实验室进行测试 , Avaya公司SYSTIMAX实验室是目前少数几个可以进行上述测试的地方之一 。
OM3光纤的性能优势
由于用户在网络应用中面临的升级压力 , 从现在的1Gb/s , 到未来的10Gb/s , 如何针对现在的应用和实现未来平滑的升级过度 , 是每个用户都需要仔细考虑的问题 。
在目前1Gb/s网络时代 , 传统多模光纤支持的距离不超过550米 , 而采用单模光纤又意味着同时使用昂贵的激光发光器件 , 虽然在布线系统上 , 两者成本相差无几 , 但是在网络设备上 , 两种选择意味着价格相差至少一倍 。 在很多情况下 , 当用户的传输距离超过500米 , 但又在1000米以内时 , 又不得不采用激光器件 。 而新型OM3多模光纤 , 可以使千兆以太网的支持距离延长到1000米 , 而不需要采用昂贵的激光器件 。 因此在现阶段 , 可为用户带来很大的性能优势 。
由于网络系统处于不断的升级过程中 , 尤其是网络主干系统 , 根据经验 , 平均每5年 , 网络主干速度会提升10倍 。 因此 , 在未来2-3年内 , 万兆以太网必然会出现在高端网络用户的环境中 。