對(duì)激光器優(yōu)化的多模光纖給標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試帶來(lái)了挑戰(zhàn)

1、對(duì)激光器優(yōu)化的多模光纖給標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試帶來(lái)了挑戰(zhàn)作者：David Kritler 針對(duì)激光器優(yōu)化的多模光纖給制造商帶來(lái)了新的測(cè)試問(wèn)題，特別是差分模式時(shí)延的測(cè)量。IEEE 802.3ae 10G比特以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)使市場(chǎng)對(duì)新型光纖的需求大大增加?，F(xiàn)在市場(chǎng)需要一種針對(duì)850nm垂直腔表面發(fā)射激光器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的光纖。在這種“針對(duì)激光器優(yōu)化”的光纖給市場(chǎng)帶來(lái)商機(jī)的同時(shí)，也給制造商帶來(lái)了一系列測(cè)試上的問(wèn)題，特別是在微分模式時(shí)延（DMD）測(cè)量上。雖然很多制造商為了過(guò)程控制曾經(jīng)使用許多方法測(cè)量過(guò)DMD，但是現(xiàn)在我們需要的是更可靠的結(jié)果，因此需要使測(cè)試程序標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)光纖制造者也需要在他們的生產(chǎn)過(guò)程中采納這些測(cè)

2、試程序，這同樣是一個(gè)難題。在制造商確定哪一種方案才是最好的之前，他們必須要理解DMD、新的測(cè)試程序以及生產(chǎn)的需要。在制定IEEE 802.3z G比特以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，工程師們意識(shí)到，當(dāng)光纖與一個(gè)激光器收發(fā)信機(jī)相連時(shí)，光纖制造商測(cè)量得到的多模光纖的帶寬并不是光纖的實(shí)際帶寬。出現(xiàn)問(wèn)題的原因主要是因?yàn)楝F(xiàn)在使用的多模光纖是針對(duì)LED光源設(shè)計(jì)的，因此多模光纖的帶寬是在出廠前在仿真這樣的光源的環(huán)境下測(cè)得的。如果在這樣的環(huán)境下使用小光斑激光器，例如垂直腔表面發(fā)射激光器，那么光纖則處于未注滿狀態(tài)光僅僅注入到光纖可用模式的一部分中，因此光纖的性能與出廠前測(cè)得的會(huì)有很大不同。于是相應(yīng)的光纖帶寬的不確定性迫使IEEE

3、在GbE標(biāo)準(zhǔn)中針對(duì)幾種多模光纖類型設(shè)定的最大鏈路距離較為保守。2000年，電信行業(yè)協(xié)會(huì)（TIA）和國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）多模光纖工作組解決了造成這種性能不確定的兩大主要問(wèn)題。第一、他們針對(duì)VCSEL收發(fā)器的輸出分布制定了詳細(xì)規(guī)范，從而確保光源模式群的更高的一致性。第二、他們修改了多模帶寬測(cè)試程序，針對(duì)GbE所用光纖增加了新的受限模式輸出（RML：restricted mode launch）測(cè)試條件。RML的目的是要盡可能的仿真新的G比特VCSEL的輸出模分布，從而更理想的測(cè)量光纖帶寬，進(jìn)而更有效的預(yù)測(cè)實(shí)際系統(tǒng)的性能?？上У氖?，這些標(biāo)準(zhǔn)在兩年前，也就是在IEEE GbE標(biāo)準(zhǔn)之后才推出。盡管如

4、此，在制定802.3ae 10GbE標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，TIA和IEC工作組所掌握的資料依然是十分有效的。當(dāng)工作組在開(kāi)始這個(gè)新項(xiàng)目時(shí)，他們清楚的發(fā)現(xiàn)即便連接距離只有300米，實(shí)現(xiàn)10Gbit/s傳輸?shù)碾y度也遠(yuǎn)大于1GbE。另外，傳統(tǒng)的多模光纖，例如62.5mm FDDI LAN或者50mm ISO/IEC 11801，基本上不能達(dá)到新標(biāo)準(zhǔn)的要求。因此，需要研制一種全新的多模光纖，一種針對(duì)850nm激光器優(yōu)化的光纖。即便使用這種新的光纖，用另一種RML帶寬測(cè)試方法也無(wú)法完全保證10Gbit/s、300米的傳輸。因?yàn)橐瑫r(shí)在傳輸速度和傳輸距離上滿足要求，就只能將光纖的模式色散降低到前所未有的水平，這就要求必須

5、用更基本的方式測(cè)量模式色散。所以TIA和IEC規(guī)定，所有針對(duì)激光器優(yōu)化的光纖的DMD都需要測(cè)量，而且每一個(gè)DMD都必須滿足極為嚴(yán)格的規(guī)定。那么，DMD測(cè)量到底是什么呢？有一種解釋說(shuō)，它類似于脈沖時(shí)延（在時(shí)域范圍內(nèi)）色散的測(cè)量。但是實(shí)際上脈沖傳輸?shù)臅r(shí)延并不是作為一個(gè)波長(zhǎng)的函數(shù)來(lái)測(cè)量的，激光脈沖的傳輸時(shí)延是作為一個(gè)徑向位置的函數(shù)來(lái)測(cè)量的，而這個(gè)位置就是脈沖注入到多模光纖纖芯的位置。圖1簡(jiǎn)單的解釋了時(shí)域DMD的測(cè)量。一個(gè)探測(cè)光脈沖注入到光纖的四個(gè)不同的徑向位置，并在不同的時(shí)間從光纖射出，這是因?yàn)樵诓煌恢眉ぐl(fā)出的模式群的傳輸特性會(huì)有所不同。那么最快和最慢的脈沖之間相對(duì)的時(shí)差就是光纖的DMD。(圖1)

6、能否測(cè)定每一根光纖的DMD主要取決于光纖制造商。在這一點(diǎn)上，DMD僅僅只是作為一個(gè)內(nèi)部工序的控制參數(shù)，因?yàn)樵谏逃梅矫?，它不像光譜衰減或者帶寬一樣是可以明確說(shuō)明的光纖特性，所以不會(huì)有針對(duì)DMD的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試程序，也不會(huì)有任何的慣例來(lái)規(guī)范它。因此，光纖制造商用來(lái)測(cè)量DMD并說(shuō)明結(jié)果的途徑一般會(huì)有很多種。盡管存在這樣的可變性，但實(shí)際上所有的時(shí)域DMD測(cè)量都由以下幾點(diǎn)構(gòu)成： 測(cè)試中，脈沖激光器的輸出光斑要與光纖纖芯的中心對(duì)準(zhǔn)。 用一個(gè)高速探測(cè)儀和采樣示波器接收光纖中的光脈沖，輸出脈沖的幅度以時(shí)間函數(shù)來(lái)記錄。 激光光斑將通過(guò)光纖纖芯，在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)都要記錄相同的幅度和時(shí)間信息。使用某種脈沖定位技術(shù)來(lái)確定徑

7、向脈沖的相對(duì)時(shí)延。一個(gè)補(bǔ)償好的（低DMD）光纖的DMD測(cè)量結(jié)果與圖2所示相似。在這個(gè)例子中請(qǐng)注意，圓圈和虛線對(duì)應(yīng)的是DMD數(shù)據(jù)組中最快的上升沿和最慢的下降沿。(圖2)更高的精度和分辨率隨著新的針對(duì)850nm激光器優(yōu)化的用于10GbE的50mm光纖的面世，光纖制造商不僅需要用一種更可靠的方法去測(cè)量DMD，而且還要提高測(cè)量的準(zhǔn)確度和分辨率來(lái)確保10Gbit/s傳輸?shù)男阅?。要?shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，TIA和IEC工作組為DMD測(cè)量草擬了測(cè)試程序（TIA FOTP-220、IEC 60793-1-49），它為DMD測(cè)量的最關(guān)鍵的一些方面建立了規(guī)范：脈沖“探測(cè)”激光源的性能，測(cè)量中激光光斑的定位。這份草案中還講到

8、DMD探測(cè)光應(yīng)該： 光譜寬度窄，或者能夠補(bǔ)償更寬的光譜從而減小因光源色散引起的誤差。 出射光為高斯光束，且時(shí)間寬度應(yīng)小于要測(cè)量的DMD的110%。 注入高斯光斑，光斑的模場(chǎng)直徑約為5mm，從而可以限制在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)激發(fā)的模式群的數(shù)目，并使DMD的分辨率最大化。 產(chǎn)生高功率脈沖從而使信噪比最大，假如50mm光纖針對(duì)850nm激光器優(yōu)化，那么一般衰減大約為2.5dB/km。這些要求將光源的選擇范圍限制在鈦藍(lán)寶石激光器和分布反饋式半導(dǎo)體激光器上。更為普遍的850nm法布里-珀羅激光器雖然也能滿足一些要求，但是他們的光譜寬度太寬，而850nm的VCSEL雖然光譜窄，一般只能產(chǎn)生幾毫瓦的光功率，因此會(huì)限制

9、系統(tǒng)的測(cè)量范圍。一旦合適的探測(cè)激光器選定了，就完全可以用如下的方法給激光器的輸出光斑定位： 首先將光斑定位在用來(lái)測(cè)試的光纖的輸入端，范圍在光纖纖芯中心位置附近1mm處。 以小于1度誤差的角度注入，激光光斑的直徑不發(fā)生變化。 每次移動(dòng)2mm，精確到0.5mm以下緩慢移動(dòng)注入光斑，通過(guò)光纖纖芯。每一個(gè)定位要求都是為了保證探測(cè)激光器光斑位置、直徑以及激光器注入光束角向的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性（圖3）。這一系列規(guī)定不僅有助于保證在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)激活“正確”的模式群，也有助于提高DMD測(cè)量的可重復(fù)性。(圖3)如何測(cè)試最好因?yàn)榇嬖谶@樣嚴(yán)格的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)那些希望為前景看好的10GbE市場(chǎng)生產(chǎn)出“下一代多模光纖”的光纖

10、制造商來(lái)說(shuō)，擺在他們面前的問(wèn)題是：盡管在實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境下對(duì)測(cè)試程序作了很多研究，但是怎樣在生產(chǎn)環(huán)境下準(zhǔn)確而安全的完成測(cè)試呢？畢竟，雖然能夠在實(shí)驗(yàn)室里使用昂貴的安裝在防震工作臺(tái)上的光纖操縱器來(lái)精確移動(dòng)光纖，以及使用高功率鈦藍(lán)寶石激光器和高頻探測(cè)器，但顯而易見(jiàn)的是，這些在生產(chǎn)車間里是不容易做到的。除了測(cè)試系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)外，未來(lái)的10Gbit/s多模光纖制造商仍然要考慮怎樣才能在生產(chǎn)中有效的進(jìn)行DMD測(cè)量。和現(xiàn)在生產(chǎn)中用到的其它光纖測(cè)量方法一樣，DMD測(cè)量所用的測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)該具備以下大部分特性： 符合標(biāo)準(zhǔn)。按照應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量。 準(zhǔn)確。產(chǎn)生與現(xiàn)有行業(yè)“參考基準(zhǔn)”相一致的結(jié)果。 可靠性?？梢栽谏a(chǎn)平臺(tái)上使用，能夠24x7不間斷運(yùn)行，并且性能穩(wěn)定。 操作簡(jiǎn)便?，F(xiàn)有的生產(chǎn)測(cè)試人員能夠使用，測(cè)量結(jié)果不依賴操作人員。 高速。準(zhǔn)備光纖、安裝和測(cè)量所用時(shí)間盡可能短。靈活?？梢杂糜诟鞣N生產(chǎn)場(chǎng)所。 適應(yīng)性。可以被修改從而適應(yīng)測(cè)量程序和結(jié)果計(jì)算方法的變化。 多功能。準(zhǔn)備一次光纖，就可以用這個(gè)平臺(tái)進(jìn)行其它關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)量。因?yàn)镈MD是一個(gè)相對(duì)較新的光纖參數(shù)，而且DMD測(cè)試系統(tǒng)的市場(chǎng)相對(duì)來(lái)說(shuō)仍然較小，所以具備以上所有性能的商用測(cè)試系統(tǒng)很少。在制造商們開(kāi)始自主開(kāi)發(fā)測(cè)試方案