一種新型寬帶多模光纖

數據中心虛擬化、云計算和高速端口等應用正在將數據中心的網絡速度推向100Gbps，最終將達到400Gbps。雖然現行的并行傳輸方式簡單有效，但它需要并聯大量的光學通道，安裝復雜，布線成本高昂。而采用短波波分復用（SWDM）技術可以增加每根光纖的通信容量，大大減少所需光纖數量，實現傳輸速率的整體提升。短波波分復用技術擴展了多模光纖傳輸時所用的波長范圍，從傳統的多模光纖所用的850nm擴展至850nm-950nm，支持從850nm到950nm的4個波長的操作窗口，利用性價比高的短波的垂直腔面發射激光（VCSEL）光源和優化的寬帶多模光纖（WBMMF），在一根多模光纖上支持四個波長傳輸數據，把需要的光纖芯數降低為原來的1/4。

目前OM3和OM4多模光纖是用于以太網和光纖通道的主要傳輸媒介，在850nm窗口具有較高的有效模式帶寬（EMB），但它們在850nm波長以外的窗口下傳輸性能相當有限。因此，需要一種在更寬的波長范圍內都具有高帶寬性能的光纖來支持SWMD技術。2016年6月，通信工業協會（TIA）發布了規范文件TIA-492AAAE對寬帶多模光纖進行標準化。其他標準組織，如ISO/IEC，也正在積極研究寬帶多模光纖的詳細標準。TIA-492AAAE標準中，寬帶多模光纖需要在850nm至950nm波段均具有較高的帶寬性能。

寬帶多模光纖的標準

通過850nm到950nm波段4波長的短波波分復用技術來實現100Gbps的鏈路傳輸，要求光纖內每個信道的數據速率至少達到25Gbps，也就要求光纖在這4個波長均具有OM4光纖在850nm波長下的帶寬性能。模式帶寬與色散共同影響光纖的傳輸性能。根據FOTP-175標準規定的方法計算，波長越長，色散絕對值越小。因此，在長波長下的模式帶寬要求較850nm更低。

2016年6月發布的TIA-492AAAE標準對可支持短波波分復用技術的寬帶多模光纖進行了規范。該標準兼顧了電氣和電子工程師協會（IEEE）的100GBASE-SR4 模型和32G光纖通道模型，規定光纖在850nm的有效模式帶寬不低于4700MHz·km，同時在953nm的有效模式帶寬不低于2470MHz·km。滿足上述帶寬要求的寬帶多模光纖在850nm至950nm整個波段都具有等同OM4級別的帶寬性能，可以支持從850nm到950nm的4個波長的操作窗口，傳輸速率超過25Gb/s，傳輸距離大于150m。另外，寬帶多模光纖還要求具有較小的宏彎損耗，以7.5mm為半徑繞2圈后其850nm的宏彎損耗要求不大于0.2dB，1300nm的宏彎損耗要求不大于0.5dB。

寬帶多模光纖的設計與制備

傳統OM4光纖的最優帶寬窗口一般在850nm，更長的波長下其帶寬性能會迅速降低，難以滿足4個波長均傳輸較長距離的要求。之前的研究顯示，通過優化光纖芯層的摻雜材料，可以降低帶寬對波長的敏感性，增大高帶寬的波長范圍。在寬帶多模光纖中，芯層除了摻雜了鍺外，還摻雜了一定濃度的氟。

寬帶多模光纖可以通過等離子體化學氣相沉積（PCVD）工藝制得，PCVD工藝能夠實現折射率剖面的精細調整，滿足寬帶多模光纖對芯層折射率剖面的嚴苛要求。包層中的合理設計下陷結構使光纖具有優異的彎曲不敏感性能。

寬帶多模光纖的性能表征

光纖的有效模式帶寬（EMB）和差分模式時延（DMD）由一臺高精度DMD測量設備測得，所用光源為一臺在850nm至950nm波段波長可調節的鈦藍寶石激光器。左圖是實測的不同波長下寬帶多模光纖與OM4光纖的有效模式帶寬對比圖。其中黑色空心圈是TIA-492AAAE標準規定的寬帶多模光纖的有效模式帶寬最低值。在850nm至950nm波長范圍內，制得的寬帶多模光纖的有效模式帶寬超過了TIA的標準，然而傳統OM4光纖在長波長窗口沒有達到要求。右圖是制得的寬帶多模光纖的差分模式時延圖譜。

制得的寬帶多模光纖的其它主要性能參數如表所示。

寬帶多模光纖的傳輸實驗

為了對比寬帶多模光纖和傳統的OM4光纖的傳輸性能，我們采用Finisar的100GESWDM4光模塊測試了其誤碼率（BER）與光纖長度的關系。SWDM技術采用的工作波長從850nm開始，每隔30nm增加一個波長，即880nm、910nm和940nm。收發機傳輸4個25Gbps的數據流，在短波波分復用模塊中，4個VCSEL產生4個不同波長的光信號，復用到單條鏈路上，所有的VCSEL和光耦合在光模塊中進行。在模塊的接收端，信號被解復用，并轉化為平行的電信號。

脈沖模式發生器（PPG）生成信號，經過Finisar的100GESWDM4光模塊處理，然后通過寬帶多模光纖樣品進行傳輸，最后被誤碼率測試儀（BERT）和示波器（OSC）接收。在誤碼率測試前，需要進行時鐘恢復。示波器用于觀察電子眼圖。需要注意的是光眼圖是信號從光纖輸出時直接得出的，并沒有經過SWDM4光模塊的接收端。

在不進行前向糾錯（FEC）的情況下，寬帶多模光纖和OM4光纖都能實現850nm無誤碼傳輸（BER﹤1E-12） 至340m。然而，在940nm時，OM4光纖的傳輸距離很短，而寬帶多模光纖在340m以內依然能夠保持無誤碼傳輸。因此，我們制備的寬帶多模光纖可以實現超過300m的100Gbps傳輸，遠大于標準要求的150m。

在所有波長范圍內，寬帶多模光纖傳輸300m后的眼圖仍然是張開的。與之相比，OM4光纖傳輸300m后其940nm的眼圖基本緊閉了。

PCVD工藝具有400Gbps潛力

通過PCVD工藝制備一種新型寬帶多模光纖，在光纖芯層摻雜合適的氟和精細地設計光纖折射率剖面，該光纖在850nm至950nm波段都表現出OM4級別的帶寬性能。制備的寬帶多模光纖可以支持850nm到950nm的4x25Gbps的短波波分復用技術，實現100Gbps的300m傳輸。結合并行傳輸技術，該寬帶多模光纖具有實現400Gbps高速傳輸的潛力。endprint