一种新型宽带多模光纤

数据中心虚拟化、云计算和高速端口等应用正在将数据中心的网络速度推向100Gbps，最终将达到400Gbps。虽然现行的并行传输方式简单有效，但它需要并联大量的光学通道，安装复杂，布线成本高昂。而采用短波波分复用（SWDM）技术可以增加每根光纤的通信容量，大大减少所需光纤数量，实现传输速率的整体提升。短波波分复用技术扩展了多模光纤传输时所用的波长范围，从传统的多模光纤所用的850nm扩展至850nm-950nm，支持从850nm到950nm的4个波长的操作窗口，利用性价比高的短波的垂直腔面发射激光（VCSEL）光源和优化的宽带多模光纤（WBMMF），在一根多模光纤上支持四个波长传输数据，把需要的光纤芯数降低为原来的1/4。

目前OM3和OM4多模光纤是用于以太网和光纤通道的主要传输媒介，在850nm窗口具有较高的有效模式带宽（EMB），但它们在850nm波长以外的窗口下传输性能相当有限。因此，需要一种在更宽的波长范围内都具有高带宽性能的光纤来支持SWMD技术。2016年6月，通信工业协会（TIA）发布了规范文件TIA-492AAAE对宽带多模光纤进行标准化。其他标准组织，如ISO/IEC，也正在积极研究宽带多模光纤的详细标准。TIA-492AAAE标准中，宽带多模光纤需要在850nm至950nm波段均具有较高的带宽性能。

宽带多模光纤的标准

通过850nm到950nm波段4波长的短波波分复用技术来实现100Gbps的链路传输，要求光纤内每个信道的数据速率至少达到25Gbps，也就要求光纤在这4个波长均具有OM4光纤在850nm波长下的带宽性能。模式带宽与色散共同影响光纤的传输性能。根据FOTP-175标准规定的方法计算，波长越长，色散绝对值越小。因此，在长波长下的模式带宽要求较850nm更低。

2016年6月发布的TIA-492AAAE标准对可支持短波波分复用技术的宽带多模光纤进行了规范。该标准兼顾了电气和电子工程师协会（IEEE）的100GBASE-SR4 模型和32G光纤通道模型，规定光纤在850nm的有效模式带宽不低于4700MHz·km，同时在953nm的有效模式带宽不低于2470MHz·km。满足上述带宽要求的宽带多模光纤在850nm至950nm整个波段都具有等同OM4级别的带宽性能，可以支持从850nm到950nm的4个波长的操作窗口，传输速率超过25Gb/s，传输距离大于150m。另外，宽带多模光纤还要求具有较小的宏弯损耗，以7.5mm为半徑绕2圈后其850nm的宏弯损耗要求不大于0.2dB，1300nm的宏弯损耗要求不大于0.5dB。

宽带多模光纤的设计与制备

传统OM4光纤的最优带宽窗口一般在850nm，更长的波长下其带宽性能会迅速降低，难以满足4个波长均传输较长距离的要求。之前的研究显示，通过优化光纤芯层的掺杂材料，可以降低带宽对波长的敏感性，增大高带宽的波长范围。在宽带多模光纤中，芯层除了掺杂了锗外，还掺杂了一定浓度的氟。

宽带多模光纤可以通过等离子体化学气相沉积（PCVD）工艺制得，PCVD工艺能够实现折射率剖面的精细调整，满足宽带多模光纤对芯层折射率剖面的严苛要求。包层中的合理设计下陷结构使光纤具有优异的弯曲不敏感性能。

宽带多模光纤的性能表征

光纤的有效模式带宽（EMB）和差分模式时延（DMD）由一台高精度DMD测量设备测得，所用光源为一台在850nm至950nm波段波长可调节的钛蓝宝石激光器。左图是实测的不同波长下宽带多模光纤与OM4光纤的有效模式带宽对比图。其中黑色空心圈是TIA-492AAAE标准规定的宽带多模光纤的有效模式带宽最低值。在850nm至950nm波长范围内，制得的宽带多模光纤的有效模式带宽超过了TIA的标准，然而传统OM4光纤在长波长窗口没有达到要求。右图是制得的宽带多模光纤的差分模式时延图谱。

制得的宽带多模光纤的其它主要性能参数如表所示。

宽带多模光纤的传输实验

为了对比宽带多模光纤和传统的OM4光纤的传输性能，我们采用Finisar的100GESWDM4光模块测试了其误码率（BER）与光纤长度的关系。SWDM技术采用的工作波长从850nm开始，每隔30nm增加一个波长，即880nm、910nm和940nm。收发机传输4个25Gbps的数据流，在短波波分复用模块中，4个VCSEL产生4个不同波长的光信号，复用到单条链路上，所有的VCSEL和光耦合在光模块中进行。在模块的接收端，信号被解复用，并转化为平行的电信号。

脉冲模式发生器（PPG）生成信号，经过Finisar的100GESWDM4光模块处理，然后通过宽带多模光纤样品进行传输，最后被误码率测试仪（BERT）和示波器（OSC）接收。在误码率测试前，需要进行时钟恢复。示波器用于观察电子眼图。需要注意的是光眼图是信号从光纤输出时直接得出的，并没有经过SWDM4光模块的接收端。

在不进行前向纠错（FEC）的情况下，宽带多模光纤和OM4光纤都能实现850nm无误码传输（BER﹤1E-12） 至340m。然而，在940nm时，OM4光纤的传输距离很短，而宽带多模光纤在340m以内依然能够保持无误码传输。因此，我们制备的宽带多模光纤可以实现超过300m的100Gbps传输，远大于标准要求的150m。

在所有波长范围内，宽带多模光纤传输300m后的眼图仍然是张开的。与之相比，OM4光纤传输300m后其940nm的眼图基本紧闭了。

PCVD工艺具有400Gbps潜力

通过PCVD工艺制备一种新型宽带多模光纤，在光纤芯层掺杂合适的氟和精细地设计光纤折射率剖面，该光纤在850nm至950nm波段都表现出OM4级别的带宽性能。制备的宽带多模光纤可以支持850nm到950nm的4x25Gbps的短波波分复用技术，实现100Gbps的300m传输。结合并行传输技术，该宽带多模光纤具有实现400Gbps高速传输的潜力。endprint