多模弯曲优化光纤的研究
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摘要：整个网络的数据吞吐量每年显著增长，10Gb/s系统现在已是司空见惯，40Gb/s系统的使用也正在增加。数据中心迁移到更高的数据传输速率的能力是必不可少的，但这样做需要认真考虑布线技术的选择。目前可用的平台是基于铜线电缆和多模光缆。虽然现在的铜线CAT7的带宽理论上能到10Gb，但因为金属导体的EMI影响，实际的使用中平均有20%～30%的损耗，而且未来的40G的网络几乎是无法实现。光纤是非金属材质没有EMI的问题。铜本身也是能量消耗的载体，所以需要更多的能源，相比较而言光纤是玻璃，几乎不需要很多的能量驱动。
中图分类号：TN253 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）21-0009-02
1 概述
整个网络的数据吞吐量每年显著增长，10Gb/s系统现在已是司空见惯，40Gb/s系统的使用也正在增加。数据中心迁移到更高的数据传输速率的能力是必不可少的，但这样做需要认真考虑布线技术的选择。目前可用的平台是基于铜线电缆和多模光缆。虽然现在的铜线CAT7的带宽理论上能到10Gb，但因为金属导体的EMI影响，实际的使用中平均有20%～30%的损耗，而且未来的40G的网络几乎是无法实现。光纤是非金属材质没有EMI的问题。铜本身也是能量消耗的载体，所以需要更多的能源，相比较而言光纤是玻璃，几乎不需要很多的能量驱动。
无论从策略还是经济来看，多模光纤无疑是最好的选择。多模光纤的折射率分布呈对称的抛物线状，意味着沿着纤芯的表面折射率是不断变化的。抛物线状的折射率分布是均一化不通速率沿不同路径传输的不通阶次的模，使它们同时出发同时到达，减小模式色散从而增大了带宽。当传统的多模光纤（MMF）被拉紧弯曲，光线将会在转弯点从纤芯泄露出去，这就是所谓的宏弯损耗。最近的多模光纤的创新设计促进了弯曲优化光纤，这种光纤实际上是在纤芯有一层屏障，增加了光学沟槽，沟槽有助于将基本模式限定在纤芯内，而环有助于衰减不需要的高阶模式，从而产生具有良好弯曲性能的光纤。
光纤连接分为三种：第一种是永久性连接，也就是熔接，这种是最简单和普遍的，通常运用在长途接续、永久连接。第二种是活动连接，利用各种光纤连接器件将站点与站点的光缆连接起来。这种方法方便灵活，多用在布线、数据中心、光纤到户等运用中。第三种是应急连接，主要是用机械方法、V型槽和化学方法，将两根光纤粘连在一起。这种方法不稳定，通常应急使用。这里我们主要研究的是前两种连接方式以及它们的可靠性
我们选用了三家目前领先的光纤厂家的光纤和标准的多模的光纤进行测试。MaxCap?-BB-OM3/OM4 of Draka?（BO1）、ClearCurve? OM3 fiber of Corning?（BO2） and LaserWave? FLEX of OFS?（BO3）以及标准的OM3光纤进行测试。
2 熔接
所有室内的光通信系统被连接到传统的系统，通常操作使用标准MMF，在这种情况下进行熔接。然而，弯曲优化MMF可能不能无缝拼接，这是受折射率分布到不同的其他标准MMF在光纤内的模式的数量的影响。我们使用的是Fitel S177的熔接机进行熔接测试，断面连接如图1，数据如图2：
结论：在一定程度上拼接边界是清晰可见的（图3），OM3-BO1的界限最为明显。所有的测试结果都小于0.1dB，但是相比较OM3-BO2和OM3-BO3的熔接结果更为稳定，衰减更低。
当然由于设备的误差存在，我们可以认为，三种弯曲优化多模光纤在实际施工过程中可以相互熔接。
3 活动连接
在数据中心的使用和光纤到户等的运用中，光纤连接器被广泛地使用。不需要有专业的人员和设备，更为灵活地管理和跳接。光纤连接器的性能，首先是光学性能，此外还要考虑光纤连接器的互换性、重复性、抗拉强度、温度和插拔次数等。我们主要研究光学性能、互换性和重复性，其他的设计和连接器设计不在此列举。
我们把三种光纤做成2.0mm的光缆后端接SC/APC连接器进行测试。用相同的打磨工艺进行打磨后，用400倍的光学放大镜得到如图3。由于弯曲优化多模光纤的制成过程中有光学沟槽的设计，在连接器的端面打磨过程中，端面的几何尺寸和标准的MMF光纤还是不同，可以看到在纤芯周围有一圈光环，这就是沟槽。BO1、BO2、BO3不同的制成工艺，形成的光圈大小也不尽相同。
根据IEC61755-3-1/2的测试方法测试端面的几何尺寸（顶点偏移、光纤高度、曲率半径）和普通的MMF光纤没有明显的区别，都能符合标准。
为了验证整个光性能和标准的MMF的兼容性，我们用850nm的波长，根据IEC61300-3-34的测试方法，测试了10条组件和10个适配器的互换性，测试数据如图4：
结论：连接器的互换测试值都很稳定，且小于0.25dB。
不同的光纤做成活动连接后的差异性小，且稳定性高，但是插损偏大。熔接的差异性较大BO1光纤的衰减偏大，但是总体而言熔接的衰减要小。根据实际使用的环境，我们选用永久熔接和活动连接，不同的厂家之间可以相互兼容，且和标准的MMF也能兼容。
4 可靠性的分析
到目前为止，我们只看到使用优化的弯曲光缆安装的MMF的好处。然而，一个已安装的光纤链路的信号传输的可靠性，必须从两个光损耗和的机械稳定性来确定。与传统的光纤管理规则的弯曲半径大，光信号自然不会断裂。然而，由于光纤的弯曲半径下降，光纤寿命就成为一个重要的考虑因素。
弯曲5mm的光纤是弯曲10mm所受应力的2倍，但是是弯曲30mm应力的6倍，这点在弯曲优化单模光纤中已经被广泛地认识。光纤受应力的使用寿命可以根据IEC62048计算出约为20年。假设我们有1000m光纤按照30mm的弯曲半径存放在一个机柜内，那么20年内，在1000万个机柜中只有一个失效0.1ppm。如果按照10mm甚至是5mm的弯曲半径存放，那么失效率就会增长到0.05%～1%。于是我们计算出不同的弯曲半径存放的光缆长度之间的关系如图5：
结论：在实际接续弯曲优化多模光纤时和标准的多模光纤，激光优化OM3光纤的方法一致，性能上可以匹配兼容。因此在网络设计上可以提供更好地物理链路，增强了弯曲性能，没有牺牲光学性能。对于数据量不断增大的发展趋势，弯曲不敏感光纤应该会越来越多的地被运用于40G、100G的网络、数据中心、云计算等领域。
参考文献
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[3] Y. Sun，et al.Specialty high bandwidth multimode fiber for optical interconnection.SPIE，vol. 7631， ACP 2009，TuZ3.
[4] D. Donlagic.A low bending loss multimode fiber transmission system.Optics Express，vol.17（24），p. 22081-22095，2009.
[5] Differential mode delay measurement of multimode fiber in the time domain.TIA/EIA-455-220，Dec，2001.
作者简介：廖臻正（1983-），女，江苏建湖人，供职于灏讯通讯传送设备制造有限公司，研究方向：光纤通讯技术。