CN102804647B - 用于选择和设计改进性能的多模光纤的设计方法和度量 - Google Patents

Abstract

描述了一种适用于多模光纤(MMF)的特性和设计的新度量。该度量来自差模延迟(DMD)测量，并且当与工业标准度量联合使用时(例如，有效模式带宽(EMB)和DMD)，产生了对采用比特误码率(BER)测试来测量的MMF信道连接性能的更加精确的预测。该度量也可以使用在MMF的设计中用于改进带宽性能。当作为测试算法在生产中应用时，它能被用于选择，分类，或检验光纤性能。这个过程可以产生具有对给定长度的更多性能裕量，和/或对给定性能裕量的更大长度的多模光纤设计。

Description

用于选择和设计改进性能的多模光纤的设计方法和度量

背景

多模光纤(MMF)的性能主要取决于沿着光纤传播时脉冲遭受的色散的总量。色散是当比特在媒介中传播时离散数据比特或“符号”的展宽。色散导致相邻数据比特的重叠，引起比特将被译码为逻辑0或1的不确定性的增加。这种逻辑状态的不确定性可以由比特误码率(BER)进行量化，这里BER被定义为错误的比特数除以给定时间段内传输的总比特数。对于高速以太网，BER不能超过每传输1万亿比特有1个错误比特(BER<10^-12)。模式色散是由穿过光纤的不同模式之间的传播速度的差异造成的。由于光功率由离散模式的总和来承载，当模式在时间上传播时，脉冲的光功率发生扩散。模式色散可以由差模延迟(DMD)来表述，差模延迟是穿过光纤的最快和最慢的模式之间的脉冲延迟(ps/m)的差异的测量。

物质的折射率表示的是相比于在真空中的光速，在物质中光速减小的总量。由于物质的折射率(通常被给予缩写“n”)是与波长相关的(即折射率是波长的函数，其可以被写为“n(λ)”)，在物质中的光速也是与波长相关的，并且作为波长函数的速度与依赖波长的折射率有以下相关：

$v\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=\frac{c}{n\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}$

这里c是真空中的光速(299,792,458米/秒)。

因此，当沿着物质传播时具有有限谱宽的光脉冲也将遭受波长色散。这被叫做色度色散。在多模光纤中，模式色散典型地比色度色散大很多，但是在高带宽MMF(＞8000兆赫兹·千米(MHz·km))中，色度色散开始占主要地位。由此得出结论：通过减少MMF中的色散，光纤的性能将提高。

利用BER测试工作台，发现当前的工业标准光纤性能度量没有精确地预测光纤的系统性能。在图1中，BER信道性能被示为是针对81300米的高带宽MMF的所计算出的有效模式带宽(EMBc)的函数。为了比较比特误码率，我们测量在-11.0dBm的参考光功率级上的BER。重点注意到应用在这些测试中的BER测试工作台模拟的是针对10GBASE-SR以太网连接的最坏情形的状况。所计算的有效模式带宽(EMBc)的值由DMD测量结果来确定并且通过因数1.13与有效模式带宽(EMB)相关联(即，EMB＝1.13×EMBc)。

数据显示了EMBc(或EMB)与BER之间的弱相关性。我们发现对于名义上2000兆赫兹·千米(MHz·km)的EMBc，MMF的BER性能能改变超过4个数量级。在参考光功率级，大于2E-08的BER被认为是信道故障。数据显示许多光纤不支持规定的最大信道长度为300米的10千兆比特/秒(Gb/s)以太网传输。由于数据中心的大部分信道连接不能接近最大距离极限，因此不能广泛观察到系统故障。但是，已经报告了若干个与光纤相关的信道故障。

发明的描述

新度量“DMD偏移”来源于DMD测量。DMD偏移可被用作对工业标准EMB和DMD度量的换算因子，以产生对多模光纤的比特误码率(BER)信道连接性能的更为精确的预测。该度量可以与MMF中的折射率分布有关，并且因此可以被用于优化MMF设计以实现改进的性能。当作为测试算法在生产中应用时，其能被用于选择光纤，分类光纤，或检验光纤性能。符合这个新度量的MMF将对给定的光缆长度产生较高BER系统性能，或对给定的BER系统性能允许较长光缆长度。

在光学系统中，典型地包括光纤色散以作为连接的码间干扰(ISI)损失的分量。因此，模式色散损失的减少会导致ISI损失的减少。通过选择具有合适DMD偏移度量的光纤，可以实现ISI的减少并且可以达到改进的连接裕量。这种裕量的增加可被部署到具有附加操作距离的连接、具有附加连通性的连接、或具有提供增强的可靠性的简单附加裕量的连接中，所有这些均提供了设计灵活度。该DMD偏移度量也与光纤的折射率分布有关，并且因此可被用于优化MMF设计。

在图2中，我们运用TIA-455-220A中详细规定的工业标准测试方法绘制出两种OM3MMF的DMD波形。在这种方法中，从单模发射光纤的一端发射出的光参考脉冲穿过测试MMF的芯部。对于穿过芯部的每个横向偏移(0到24微米)，记录最终输出脉冲的传播延迟。每个输出脉冲仅包含在给定输入径向位置处被激发的那些模式。每个径向偏移输出波形沿着纵轴绘制，并且以1微米增量进行移位。沿着横轴以皮秒/米(ps/m)的单位绘制每个波形的相对脉冲延迟。通过首先利用最快脉冲的前沿和最慢脉冲的后沿测量脉冲延迟差异来确定DMD。我们从这个差异中减去产生光纤模式色散的发射脉冲的时间宽度。在表1中，我们列出TIA-455-220A中所限定的两个芯部内特定区域(5－18微米(内掩模)，0－23微米(外掩模))的DMD测量结果。已知在时域的输入和输出时间波形，我们可以计算出在频域中以兆赫兹·千米(MHz·km)为单位的光纤有效模式带宽(EMBc)。

沿着横轴(ps/m)的更小值对应于更高的速度。因此，偏向左边的波峰对应于更高的模速度。由于更高次的模传导得更快，因此折射率必须偏离先前设想的理想折射率分布(其中所有的波形在时间上对齐)。

这两种被标识为“蓝色”和“褐色”的采样光纤被装载在相同的光缆中，并且根据标准测试方法具有实质上相同的DMD和EMB值。在表1中，我们列出测试结果，其显示这两种光纤几乎完全相同。在外掩模DMD中找到了最大的差异，表明褐色光纤具有更低的模式色散。

表1

根据这些DMD和EMB测量结果，这两种光纤应该工作得同样地好。在图3中，示出了对蓝色和褐色光纤的BER系统测试结果。所测量的性能数据显示，对于-9.9分贝毫瓦(dBm)(10千兆比特/秒(Gb/s)以太网的最小接收光功率)的接收光功率，褐色光纤的BER比蓝色光纤差了超过两个数量级。

这两种光纤的眼图示出在图4中。眼图描绘出伪随机二进制序列中的逻辑0和1的各种组合的叠加，并且可以使用示波器获得。眼图的开口是对信号的信噪比的测量。褐色光纤示出比蓝色光纤而言显著更大的眼图闭合度，其表示褐色光纤具有转化为更高BER的更低信噪比。我们可以推断出褐色光纤引入了更大的ISI损失，尽管这两种光纤的带宽相同。

这种差异归因于折射率分布的偏移，如在申请序号12/627,752,名称为“具有改进的折射率分布的多模光纤(MultimodeFiberHavingImprovedIndexProfile)”的美国专利中所描述的。在图2中对蓝色和褐色光纤的两种DMD图的径向DMD测量结果指出了该折射率分布的偏移。对DMD图和BER系统测试结果的广泛分析表明DMD图的波形偏移与BER性能之间具有良好的相关性。然而，需要一种度量来量化这种偏移。

由于多种DMD图的复杂性，很难确定一种精确和可靠的DMD偏移度量。但是，足以得到19微米与5微米的横向偏移波形的最大峰值脉冲延迟之间的差异。对偏移进行选择，使得度量的符号对应于DMD图中偏移的方向(向左为负以及向右为正)。这两种点也与垂直腔表面发射激光器(VCSELs)(即，环形光通量源)的光功率分布有关。很明显，也可以确定其它类似的能同样预测偏移的度量，但是，下面的简单的度量工作得出人意料的好。

DMD偏移＝(在19微米的峰值延迟)－(在5微米时的峰值延迟)

为了证明这种度量预测光纤性能的能力，我们考虑表2中列出的几种高性能MMF的性能。我们注意到，具有OM4资格的光纤的最小EMB是4700兆赫兹·千米(MHz·km)。这些光纤(除了绿色光纤以外)，都可被确定为是OM4。因此，它们必须支持在-11.0分贝毫瓦(dBm)的接收光功率下多达550米的低错误率传输(<2E-08)(根据5年以来的统计数据)。

表2

在图5中示出了12种光纤的每一种的DMD偏移度量。

所有具有正DMD偏移度量的光纤对应于偏移到DMD图的右边的脉冲延迟波形。在所观测到的正DMD偏移度量的情形中，测量到比期望BER性能更低的BER性能，并且在很多情形中光纤不能满足系统性能级别，尽管它们的EMB和DMD度量表明它们能够通过。使用所测量的EMB和我们建议的DMD偏移度量，我们可以作出下面的预测：参照图6和7。

1.黑色光纤具有4831兆赫兹·千米的测量EMB并且因此被确认为是OM4。但是，因为EMB仅仅少量地高于4700兆赫兹·千米，正的DMD偏移降低了BER性能并且该光纤没有通过系统水平测试。单个红色填充的数据点通过使用以太网流量分析器而获取并且验证系统故障。

2.绿色光纤具有4286兆赫兹·千米的测量EMB并且因此被归类为OM3。但是因为它展现出了较大的负DMD偏移，该光纤通过BER系统测试。

3.红色和玫瑰红的光纤都是OM4并且具有相似的EMB值，但是红色光纤具有正的DMD偏移，然而玫瑰红的光纤具有负的DMD偏移。结果，红色光纤没有通过BER系统测试而玫瑰红的光纤通过。

在41种具有正和负的DMD偏移的光纤上进行这种类型的分析。结果，光纤系统的性能可以被充分准确地预测。

在图8中，对-11.0分贝毫瓦(dBm)的参考光功率级,绘制出了表2中列出的12种光纤的BER性能。绿色填充的数据符号表示那些具有负的DMD偏移度量的光纤。红色填充的数据符号表示那些具有正DMD偏移度量的光纤。负DMD偏移度量的光纤展现出较低的BER整体性能并且显著地胜过正DMD偏移度量的光纤。

在图9中，这种分析从两种光纤制造延伸到36种OM4,并且虚线是数据点的拟合。通过测量DMD偏移，我们可以将这些光纤分为如图10所示的两组(图10中包含若干不同的光纤)。负DMD偏移度量光纤明显地显示出超过正DMD偏移度量光纤的改进的性能。

通过将图9中的每个光纤的BER定标到拟合线，可以获得在光纤性能中的的改进或降低的一阶近似。对于每个光纤，确定将测量的BER定标到拟合线所需的倍增系数。数据的扩展是测量不确定性、附加的光纤缺陷、以及二阶的影响(例如，模式噪声、模式分配噪声、以及可能的偏振噪声)的结果。图11示出了偏移的BER数据点，并且图12示出了作为DMD偏移度量的函数的每个光纤的BER倍增系数。

负DMD偏移度量光纤(DMD向左偏移)具有较大的比例因子，其意味着比特误码率很小并且需要按比例放大，然而正DMD偏移度量光纤(DMD向右偏移)具有很小的换算因子，意味着它们具有较大的BER需要被按比例减小。对图的仔细检查显示出对零偏移的一致的比例因子。这个结果意味着理想的折射率分布，按照以前理解的，可能不能产生最好的系统性能。重点注意到大部分光纤不是完美的，并且因此存在在DMD分布上的向左或向右的偏移。这些结果暗示着负(左偏移)的DMD度量可能会改进性能，超出当前预测。这种观点由以下事实来支持：具有小于4700兆赫兹·千米EMB值的负DMD偏移的OM3光纤展现出非常高的BER性能。

我们也观察到BER的比例因子与DMD偏移度量成比例，因此较大的偏移对光纤有较大的影响。

基于这个数据，可以得到改进的信道连接性能的评估，其可被用于扩展OM4光纤的范围至40千兆和100千兆以太网的应用。这种新的DMD偏移度量提供了产生非常高性能的MMF的手段。

以上虽然解释了DMD偏移的一种度量，其它度量也是有用的。例如，在20微米处的峰值延迟减去在5微米处的峰值延迟可以提供对DMD偏移的有用度量，同样地，许多由类似间隔(例如14或15微米的间隔)分开的其它偏移也可以提供对DMD偏移的有用度量。在其它实施例中，在任意径向点处的负偏移在设计或选择光缆的方法中可被用作度量。根据差模延迟测量的负脉冲偏移(即，负向的DMD偏移)，可以选择在包覆层内的光纤光芯部的折射率分布。

Claims (4)

1.一种选择用于通信网络的多模光纤的方法包括：

测量穿过多个多模光纤的不同半径的脉冲的峰值延迟；

从每个多模光纤的在第二，更大的半径的峰值延迟中减去每个多模光纤的在第一半径的峰值延迟；

选择那些用于通信网络的多模光纤，其中在第二半径的峰值延迟减去在第一半径的峰值延迟的结果是负数。

2.权利要求1的方法，其中所述第一半径是5微米并且所述第二半径是19微米。

3.权利要求1的方法，其中所述第一半径是5微米并且所述第二半径是20微米。

4.权利要求1的方法，其中所述第一半径和所述第二半径相差14到15微米。