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多模光纤光缆的特点和应用是什么?

  • 多模光纤光缆的特点和应用是什么? FiberMart.cn
  • 发表于 2022/08/29
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与单模传输方案相比,多模方案采用低成本、低功率的激光器实现光纤与激光器快速高效的耦合。 


数据中心已经成为现代生活的引擎,日益增长的网络信息通过数据中心进行高速传输和存储。数据中心内部的连接距离大多较短,从几米到几百米不等。在这些短距离高速数据通信中,以垂直腔面发射激光器(VCSEL)为核心器件的多模光纤和光模块得到了广泛的应用。与单模传输方案相比,多模方案采用低成本、低功耗的激光器,实现光纤与激光器快速高效的耦合。多模光纤可以实现比铜缆更高的传输速率或更长的传输距离,并且比单模光纤系统成本更低。目前,数据中心内部连接速率已达到100Gbit/s,400Gbit/s指日可待,业界一直在开发新型的多模光纤来提高其性能,包括在单根光纤中实现波分复用的宽带多模光纤技术;以及支持更长传输距离的长波多模光纤。此外,为了支持高密度、小型化连接,提高数据中心空间利用率、散热效率、线缆管理效率,具有抗弯曲能力的多模光纤也得到了快速开发和部署。本文将结合多模光纤的技术原理和光模块技术的演进,探讨支持高速光模块的多模光纤的发展趋势。
 
1.多模光纤光缆的特点和应用
 
云计算的发展推动了超大规模数据中心的发展,产生了与传统企业数据中心不同的发展趋势。无论是国内还是国际,基于云计算服务的超大规模数据中心用户的服务器端口速率演进速度都明显快于传统企业数据中心。传统企业会稳定使用OM4多模光纤,90%以上的系统链路长度在100m以内。
 

然而超大规模数据中心用户选择单模光缆较多,70%的系统链路长度超过100m。

超大规模数据中心的发展使得单模光缆的使用率提高,但多模光缆仍然有其独特的优势。这些优势包括使用更低成本的光收发模块、更低的功耗、传输距离可以覆盖数据中心内的大部分链路,因此基于多模光缆和多模光模块的解决方案对客户仍然很有吸引力。

2. 850nm多模光缆的带宽

与单模光纤系统不同,多模光纤系统的传输距离和速率受到多模光缆带宽的限制。为了支持高速系统的更高传输距离,需要提高多模光缆的模式带宽。多模光缆的设计通常采用渐变折射率的a型,以降低模式群延迟并实现高带宽。

其中,rO为纤芯半径,∆0为纤芯相对折射率变化的最大值,可用下式表示。

其中,nO为纤芯中心折射率,n1为包层折射率。

选择合适的a值,可以在一定的波长范围内优化多模光缆的模式带宽。图3给出了850nm波长a值变化1%时50μm多模光缆的带宽分布,当光纤a值处于最优位置时,带宽超过13GHz.km。该图还反映出多模光缆的带宽对A值非常敏感,要获得最大带宽,A值(纤芯折射率)需要非常精细地控制,否则制造过程中纤芯剖面的各种缺陷都会影响多模光缆的实际带宽。

随着光纤光缆设计和制造技术的进步,多模光纤光缆的带宽得到了很大的提高。表1给出了不同类型的标准多模光纤光缆。62.5μm多模光纤光缆具有更高的数值孔径和更大的纤芯,可以将发光二极管光源(LED)耦合到光纤中,以10 Mbit/s甚至100 Mbit/s的速率支持2公里的数据传输。随着以太网标准和低成本850nm VCSEL的发展,纤芯直径为50μm的多模光纤光缆在市场上越来越受欢迎。该光纤具有更低的模态色散和更高的带宽,并且VCSEL的光斑尺寸和数值孔径比LED的要小,激光可以很容易地耦合到50μm光纤中。通过优化光纤制造工艺,采用先进的折射率控制技术,50μm多模光纤光缆由OM2(500MHz.km)发展到OM3(2000MHz.km),如今又发展到OM4(4700MHz.km)。

对于采用850nm VCSEL的多模光纤系统,进一步提高OM4多模光纤光缆的带宽并不能让光模块传输更长的距离,因为系统带宽取决于光纤光缆的有效模式带宽和色散(与VCSEL激光器的线宽和光纤波长有关)。如果需要提高系统带宽,除了要提高光纤光缆的有效模式带宽外,还需要优化色散值。部分色散可以通过差模延迟(DMD)多模光纤光缆来补偿,或者采用线宽更窄或工作在色散更低的长波区的850nm VCSEL

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