基本介紹
- 中文名：多模光纖
- 外文名：multimode optical fiber
- 定義：不同模式的光於一根光纖上傳輸
- 適用：耦合器及接線器
- 纖芯直徑：50μm至100μm
分類,對比,選用指南,套用潛力,類型,光源,頻寬,光源注入,介紹,偏置注入,中心注入,單多模區別,
分類
基本上有兩種多模光纖，一種是梯度型（graded）另一種是階躍型（stepped），對於梯度型（graded）光纖來說，芯的折射率（refraction index)於芯的外圍最小而逐漸向中心點不斷增加，從而減少訊號的模式色散，而對階躍型（Stepped Index）光纜來說，折射率基本上是平均不變，而只有在包層（cladding）表面上才會突然降低。階躍型（stepped）光纖一般較梯度型（graded）光纖的頻寬低。在網路套用上，最受歡迎的多模光纖為62.5/125，62.5/125意指光纖芯徑為62.5μm而包層（cladding）直徑為125μm，其他較為普通的為50/125及100/140。
對比
相對於雙絞線，多模光纖能夠支持較長的傳輸距離，在10mbps及100mbps的乙太網中，多模光纖最長可支持2000米的傳輸距離，而於1GbpS千兆網中，多模光纖最高可支持550米的傳輸距離，在10Gbps萬兆網中，多模光纖OM3可到300米，OM4可達500米。
選用指南
多模光纖的芯線標稱直徑規格為62.5μm/125μm.或50μm/125μm.。規格（芯數）有2、4、6、8、12、16、20、24、36、48、60、72、84、96芯等。線纜外護層材料有普通型；普通阻燃性；低煙無鹵型；低煙無鹵阻燃型。
套用潛力
九十年代所占市場
九十年代多模光纖在世界光纖市場一直占有穩定分額。九十年代中期以來世界多模光纖市場基本保持在7～8%的光纖用量和14～15%的銷售份額。北美比這一大致平均比例偏高。
多模光纖跳線
多模光纖跳線七十年代崛起後
七十年代光纖進入實用化階段是從多模光纖的局間中繼開始的。二十多年以來，單模光纖新品種不斷出現，光纖功能不斷豐富和增強，性能價格比不斷苛求，但多模光纖並沒有被取代而是始終保持穩定的市場份額，和其他品種同步發展。其原因是多模光纖的特性正好滿足了網路用纖的要求。相對於長途幹線，光纖網路的特點是：傳輸速率相對較低；傳輸距離相對較短；節點多、接頭多、彎路多；連線器、耦合器用量大；規模小，單位光纖長度使用光源個數多。
特點
傳輸速率低和傳輸距離短正好可以利用多模光纖頻寬特性和傳輸損耗不如單模光纖的特點。但單模光纖更便宜、性能比多模好，為什麼網路中不用單模光纖呢？這是因為上述網路特點中彎路多損耗就大；節點多則光功率分路就頻繁，這都要求光纖內部有足夠的光功率傳輸。多模光纖比單模光纖芯徑粗，數值孔徑大，能從光源耦合更多的光功率。網路中連線器、耦合器用量大，單模光纖無源器件比多模光纖貴，而且相對精密、允差小，操作不如多模器件方便可靠。單模光纖只能使用雷射器（LD）作光源 ，其成本比多模光纖使用的發光二極體（LED）高很多。尤其是網路規模小，單位光纖長度使用光源個數多，幹線中可能幾百公里用一個光源，而十幾公里甚至幾公里的每個網路各有獨立的光源。如果網路使用單模光纖配用雷射器，網路總體造價會大幅度提高。垂直腔面發射雷射器（VCSEL）已商用，價格與LED接近，其圓形的光束斷面和高的調製速率正好補償了LED 的缺點，使多模光纖在網路中套用更添生機。從上述分析不難看到，認為單模光纖頻寬高、損耗小，在網路中使用可以“一次到位”的考慮是不全面的。康寧公司對網路中使用單模光纖和使用多模光纖的系統成本進行了計算和比較，使用單模光纖的網路成本是多模光纖的4倍。使用62.5μm和50μm多模光纖的系統成本一樣，區別在於不同種類的連線器。選用無金屬箍插拔式連線器系統造價（多模系統B）比用金屬箍旋接的連線器，如FC型（多模系統A）的成本可減少1/2。
光纖無源器件
光纖無源器件崛起
為適應網路通信的需要，七十年代末到八十年代初，各國大力開發大芯徑大數值孔徑多模光纖（又稱數據光纖）。當時國際電工委員會推薦了四種不同芯/包尺寸的漸變折射率多模光纖即A1a、A1b、A1c和A1d。它們的纖芯/包層直徑（μm）/數值孔徑分別為50/125/0.200、62.5/125/0.275、85/125/0.275和100/140/0.316。總體來說，芯/包尺寸大則製作成本高、抗彎性能差，而且傳輸模數量增多，頻寬降低。100/140μm多模光纖除上述缺點外，其包層直徑偏大，與測試儀器和連線器件不匹配，很快便不在數據傳輸中使用，只用於功率傳輸等特殊場合。85/125μm多模光纖也因類似原因被逐漸淘汰。1999年10月在日本京都召開的IEC SC 86A GW1專家組會議對多模光纖標準進行修改，2000年3月公布的修改草案中，85/125μm多模光纖已被取消。康寧公司1976年開發的50/125μm多模光纖和朗訊Bell實驗室1983開發的62.5/125μm多模光纖有相同的外徑和機械強度，但有不同的傳輸特性，一直在數據通信網路中“較量”。
優勢
62.5μm芯徑多模光纖比50μm芯徑多模光纖芯徑大、數值孔徑高，能從LED光源耦合入更多的光功率，因此62.5/125μm多模光纖首先被美國採用為多家行業標準。如AT&T的室內配線系統標準、美國電子工業協會（EIA）的區域網路標準、美國國家標準研究所（ANSI）的100Mb/s令牌網標準、IBM的計算機光纖數據通信標準等。50/125μm多模光纖主要在日本、德國作為數據通信標準使用，至今已有18年歷史。但由於北美光纖用量大和美國光纖製造及套用技術的先導作用，包括我國在內的多數國家均將62.5/125μm多模光纖作為區域網路傳輸介質和室內配線使用。自八十年代中期以來，62.5/125μm光纖幾乎成為數據通信光纖市場的主流產品。
後續發展
上述形勢一直維持到九十年代中後期。近幾年隨區域網路傳輸速率不斷升級，50μm芯徑多模光纖越來越引起人們的重視。自1997年開始，區域網路向1Gb/s發展，以LED作光源的62.5/125μm多模光纖幾百兆的頻寬顯然不能滿足要求。與62.5/125μm相比，50/125μm光纖數值孔徑和芯徑較小，頻寬比62.5/125μm光纖高，製作成本也可降低1/3。因此，各國業界紛紛提出重新啟用50/125μm多模光纖。經過研究和論證，國際標準化組織制訂了相應標準。但考慮到過去已有相當數量的62.5/125μm多模光纖在區域網路中安裝使用，IEEE802.3z千兆比特乙太網標準中規定50/125μm和62.5/125μm多模光纖都可以作為1GMbit/s乙太網的傳輸介質使用。但對新建網路，一般首選50/125μm多模光纖。50/125μm多模光纖的重新啟用，改變了62.5/125μm多模光纖主宰多模光纖市場的局面。遵照上述標準，康寧公司1998年9月宣布推出兩種新的多模光纖。第一種為InfiniCor300型，按62.5/125μm標準，可在1Gb/s速率下，850nm波長傳輸300米，1300nm波長傳輸550米。第二種是InfiniCor600型，按50/125μm標準，在1Gb/s速率下，850nm波長和1300nm波長均可傳輸600米。
多模光纖控制系統
多模光纖控制系統出台的影響
雖然1998年新出台的IEEE802.3z標準提出了在1Gbit/s網路中使用多模光纖的規範，但網路升級的發展比標準的制訂還快。這使得62.5/125μm多模光纖的頻寬限制更加突出。為了解決這一問題，，如康寧的InfiniCor CL1000和InfiniCor CL2000，朗訊的Lazr—SPEED，阿爾卡特的GIGAlite等。康寧在發布這種光纖時說：“康寧以嫻熟的技術和新的折射率分布控制，推出這種以前只有單模光纖才能給出的特性而且能在網路中使用以前給多模光纖配套的低成本系統。”
新一代多模光纖
在上述背景基礎上，美國康寧和朗訊等大公司向國際標準化機構提出了“新一代多模光纖”概念。新一代多模光纖的標準正由國際標準化組織/國際電工委員會（ISO/IEC）和美國電信工業聯盟（TIA—TR42）研究起草。預計2002年3～4月推出，新一代多模光纖也將作為10Gb/s乙太網的傳輸介質，被納入IEEE10Git/s乙太網標準。新一代多模光纖的英文縮寫“NGMMF”（New Generation Multi Mode Fiber）已被國際通用，並可作為關鍵字在國際網站查詢。新一代多模光纖的全面技術指標尚未正式公布，但從標準制訂的相關報導及有關技術網站中可以得到如下確切信息：
類型
新一代多模光纖是一種50/125μm，漸變折射率分布的多模光纖。採用50μm芯徑是因為這種光纖中傳輸模的數目大約是62.5μm多模光纖中傳輸模的1/2.5。這可有效降低多模光纖的模色散，增加頻寬。對850nm波長，50/125μm比62.5/125μm多模光纖頻寬可增加三倍。按IEEE802.3z標準推薦，在1Gbit/s速率下，62.5μm芯徑多模光纖只能傳輸270米；而50μm芯徑多模光纖可傳輸550米。實際上最近的實驗證實：使用850nm垂直腔面發射雷射器（VCSEL）作光源，在1Gbit/s速率下，50μm芯徑標準多模光纖可無誤碼傳輸1750米（線路中含5對連線器），50μm芯徑新一代多模光纖可無誤碼傳輸2000米（線路中含2對連線器）。
採用50μm芯徑的另一個原因是以前人們看中62.5μm芯徑多模光纖的優點，隨技術的進步已變得無關緊要。在八十年代國中期，LED光源的輸出功率低，發散角大，連線器損耗大，使用芯徑和數值孔徑大的光纖以使盡多光功率注入是必須考慮的。而當時似乎沒人想到區域網路速率可能會超過100Mbit/s，即多模光纖的頻寬性能並不突出，尤其是使用了VCSEL，光功率注入已不成問題。芯徑和數值孔徑已不再像以前那么重要，而10Gbit/s的傳輸速率成了主要矛盾，可以提供更高頻寬的50μm芯徑多模光纖則倍受青睞。
光源
以往傳統的多模光纖網路使用發光二極體（LED）做光源。在低速網路中這是一種經濟合理的選擇。但二極體是自發輻射發光，雷射器是受激發射發光，前者載流子壽命比後者長，因而二極體的調製速率受到限制，在千兆比及其以上網路中無法使用。另外，二極體與雷射器相比，其光束髮散角大，光譜寬度寬。注入多模光纖後，激勵起更多的高次模，引入更多波長成份，使光纖頻寬下降。幸運的是850nm垂直腔面發射雷射器（VCSEL）不但具有上述雷射器的優點，而且價格與LED基本相同。VCSEL的其他優點是：閾值電流低，可以不經放大，直接用邏輯門電路驅動，在2Ggabit速率下，獲得幾毫瓦的輸出功率；其850nm的發射波長並不適用於標準單模光纖，正好用於多模光纖。在這一波長下，可以使用廉價的矽探測器並有良好的高頻回響；另一個令人矚目的優點是VCSEL的製造工藝可以容易地控制發射光功率的分布，這對提高多模光纖頻寬十分有利。正是由於這些優點，新一代多模光纖標準將採用850nm VCSEL做光源。
傳統的多模光纖網路常使用的發光二極體
傳統的多模光纖網路常使用的發光二極體頻寬
按上面敘述的雷射器與發光管的比較來看，多模光纖使用雷射器做光源，其傳輸頻寬應得到大幅度提高。但初步實驗結果表明，簡單地用雷射器代替LED做光源，系統的頻寬不僅沒有提高反而降低。經過IEEE專家組的研究發現，多模光纖的頻寬還與光纖中的模功率分布或注入狀態有關。在預製棒製作工藝中，光纖的軸心容易產生折射率凹陷。以前用LED做光源，是過滿注入（OFL—OverFilled Launch），光纖的全部模式（幾百個）都被激勵，每個模攜帶自己的一部分功率。光纖中心折射率的畸變只影響少數模式的時延特性，對光纖模頻寬的影響相對有限。所測出的多模光纖頻寬，對於用LED做光源的系統是正確的。也就是說可以用這樣測出的頻寬數據估算系統的傳輸速率和距離。但是，當用雷射器做光源時，雷射器的光斑僅幾微米，發散角也比LED小，因而只激勵在光纖中心傳輸的少數模式，每個模式都攜帶相當大的一部分功率，光纖中心折射率畸變對這些僅有的、少數模式時延特性的影響，使多模光纖頻寬明顯下降。因此不能用傳統的過滿注入（OFL）方法來測量用雷射器做光源的多模光纖的頻寬。
新標準將使用限模注入法（RML—Restricted Mode Launch）測量新一代多模光纖的頻寬。用這種方法測出的頻寬叫“雷射器頻寬”或“限模頻寬”，以前用LED做光源測出的頻寬叫“過滿注入頻寬”。兩者分別表示用雷射器和LED做光源注入時的多模光纖頻寬。限模注入和多模光纖雷射器頻寬的標準由TIA FO—2.2.1任務組起草。內容如下：
FOTP—203規定了用來測量多模光纖雷射器頻寬的光源的功率分布。要求光源經過一段短的多模光纖耦合之後，其近場強度分布應滿足在中心30μm範圍內光通量大於75%，在中心9μm範圍內光通量大於25%。新標準中沒有推薦使用VCSEL做光源對頻寬進行測量，這是考慮到不同廠家VCSEL的光功率分布差別很大。
FOTP—204規定使用限模光纖將光源耦合入多模光纖進行雷射器頻寬測量。限模光纖用來對過滿注狀態進行濾波，限制對多模光纖高次模的激勵。限模光纖是一段芯徑23.5μm，數值孔徑0.208的漸變折射率多模光纖。這種多模光纖折射率梯度指數接近於2。在850nm和1300nm過滿注入條件下應有大於700MHz.km的頻寬。限模光纖的長度應大於1.5米以消除泄漏模，並小於5米以避免瞬態損耗。選取芯徑23.5μm是因為其產生的注入狀態最接近VCSEL。
光源注入
介紹
在實際使用中，雷射器與多模光纖耦合可依照Gbit/s乙太網標準推薦的法：
偏置注入
為避免上述雷射器直接注入多模光纖出現的頻寬惡化情況，標準規定使用模式調節連線（Mode Conditioning Patch Cord—MCP）將雷射器輸出耦合入多模光纖。模式調節連線是一段短的單模光纖，它的一端與雷射器耦合，另一端與多模光纖耦合。標準規定單模光纖輸出光斑故意偏離多模光纖軸心一段距離，允許偏離的範圍是17～24μm，其目的是避開中心折射率凹陷，但又不偏離太遠，只是選擇性地激勵一小組較低次模。
中心注入
對摺射率分布理想，沒有中心凹陷的多模光纖可以使用中心注入而不用模式調節連線。這樣做的優點是可以有效提高多模光纖的雷射器頻寬，減少網路系統的複雜性和降低系統成本，一根模式調節連線約80～100美元。
單多模區別
1、 單模傳輸距離遠
2、 多模傳輸頻寬大
3、 單模不會發生色散，質量可靠
4、 單模通常使用雷射作為光源，貴，而多模通常用便宜的LED
5、 單模價格比較高
6、 多模價格便宜，近距離傳輸可以
