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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VCSELsVertical 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DMDDifferential 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 BandwidthOFB);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20029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。


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