万兆多模与DMD测试

万兆多模与DMD测试.
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（见下图），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。下图图示说明了这种测试的情况：
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。