摘要：本文介绍了一种新型的抗弯小芯径渐变折射率单模多模通用光纤，该光纤能够同时支持在850nm至950nm波段的100G多模传输和1270 nm 至1330 nm的100G单模传输。
关键词：渐变折射率；小芯径；抗弯；多模传输；单模传输；单模多模通用；数据中心；5G前传
1. 前言多模光纤和垂直腔面发射激光器（VCSEL）多模光模块、单模光纤和单模光模块均可用于数据中心。其中，受益于VCSEL光模块较低的成本和功耗，多模传输系统在短距离传输场景中占主导地位[1]。由于多模光纤的传输速率和传输距离受到模间色散和色度色散的限制，随着新型超大型数据中心对带宽和传输距离要求的进一步提高，多模光纤系统在中长传输距离的场景应用受限。单模光纤能够实现更大的数据传输速率和更远的传输距离，但由于单模光模块的高成本和单模传输系统的高功耗，在部署新的数据中心时，运营商经常面临多模光纤和单模光纤之间的选择。选择合适的光纤不仅是一项财政决策，也是一项战略性技术决策。
多模和单模传输系统各有各的优点和缺点，在当前情况下，使用多模光纤和便宜的VCSEL光源进行短距离组网建设是合理的，但如果网络需要进一步提速升级至1310nm波长时，就需要改造成单模传输系统，重新铺设单模光纤光缆或者铺设单模、多模光纤混合缆将大大增加投入成本。
为了解决上述问题，设计一种可以同时支持多模和单模传输的光纤是可行性较高的方法。这种光纤不仅能够满足短距离、低成本多模传输，也能够匹配单模光模块实现高速率、远距离传输，可以大大降低网络运营和升级改造费用，因此小芯径渐变折射率单模多模通用光纤应运而生。
小芯径渐变折射率单模多模通用光纤能够同时支持多模传输和单模传输，能够简化光纤光缆的管理并降低未来带宽升级的成本。较小的芯径还可以降低带宽对波长的敏感度，这意味着该光纤可以支持短波长波分复用（SWDM）的多模传输。这种单模多模通用的小芯径渐变折射率光纤可以用于数据中心和5G前传之中。此外，小芯径渐变折射率光纤还可以制备成多芯光纤，支持空分复用，以满足未来带宽进一步升级的需求。
本文成功制备出一种新型的抗弯小芯径渐变折射率单模多模通用光纤，介绍了该光纤的设计、制备以及主要性能参数，并通过传输实验，证明该光纤能够同时支持在850nm至950nm波段的100G多模传输和1270 nm 至1330 nm的100G单模传输。
2. 光纤的设计及其制备小芯径渐变折射率单模多模通用光纤（SDF）具有类似于常规渐变折射率多模光纤芯层的α折射率分布，但其芯层直径小于50um，该光纤的折射率分布示意图如图1所示。应用于如LAN、数据中心等场景，IEC 60793-2-10标准要求A1a.3b/A1a.4b多模光纤具有较小的宏弯损耗，如以7.5mm为半径弯曲2匝时在850nm处宏弯损耗小于0.2dB，在1300nm处小于0.5dB。因此小芯径渐变折射率单模多模通用光纤在外包层中增加了低折射率的下陷层，以减小其宏弯损耗。此外，剖面还对小芯径渐变折射率单模多模通用光纤的基模LP01模场直径（MFD）进行了优化，以匹配用于单模传输系统的标准单模光纤的模场直径。
图1单模多模通用光纤的折射率剖面示意图
采用等离子体化学气相沉积（PCVD）的工艺制备光纤预制棒，可以更精确地控制其剖面的折射率分布，制备出的抗弯小芯径渐变折射率单模多模通用光纤的主要性能参数如表1所示。
表1 制得的小芯径渐变折射率单模多模通用光纤的主要性能参数
3. 传输实验小芯径渐变折射率单模多模通用光纤能够支持850nm到950nm之间的多模传输以及1270nm到1330nm之间的单模传输。采用EXFO的网络分析仪（ONT）[2]和单模或多模光模块对小芯径渐变折射率单模多模通用光纤的传输性能进行测试，传输测试平台如图2所示。接受光功率由可变光衰减器（VOA）调节。
图2 传输实验测试平台示意图
传输性能测试中采用的光模块都是商用的100G单模和多模光模块，实验所用的光模块如表2所示
表2 传输实验所用光模块
3.1 多模传输100G SR4采用Finisar的100GBASE-SR4光模块[3]测试小芯径渐变折射率单模多模通用光纤在850 nm处的多模传输性能。该光模块符合IEEE 802.3bm标准，并行传输4个独立的25 Gb/s通道，可以支持OM4多模光纤传输100 m，总体数据速率为100 Gb/s。本实验中只使用一个通道，传输实验使用MPO连接器连接光模块与芯径为50 um的多模尾纤，多模尾纤与待测的小芯径渐变折射率单模多模通用光纤熔接。传输实验测试了相同长度450m的小芯径渐变折射率单模多模通用光纤和OM4多模光纤，以对比新型光纤和传统多模光纤的传输性能。450 m的小芯径渐变折射率单模多模通用光纤的链路损失为1.5 dB。
测量的误码率（BER）与接收光功率的曲线如图3所示。小芯径渐变折射率单模多模通用光纤传输450m后，误码率为2.8×10−8，仍低于IEEE 802.3bm标准规定的5×10−5的FEC阈值。另外，450m的OM4多模光纤的误码率曲线与小芯径渐变折射率单模多模通用光纤基本重合，表明小芯径渐变折射率单模多模通用光纤和OM4多模光纤的传输性能基本相当。
图3 100G SR4光模块的BTB曲线、小芯径渐变折射率单模多模通用光纤和OM4多模光纤的误码率曲线
3.2 多模传输100G SWDM4利用短波波分复用技术将多模传输时所用的波长范围从传统的多模光纤的850 nm扩展至850 nm ~950 nm，在一根多模光纤上支持四个波长传输数据，可以把需要的光纤芯数降低为原来的1/4。采用Finisar的100GE SWDM4光模块[4]测试小芯径渐变折射率单模多模通用光纤在850~950 nm范围内的传输性能。该光模块的4个25Gb/s的信道分别位于约850nm、880nm、910nm和940nm的4个波长处，通过OM3/OM4 多模光纤的设计传输距离可达75/100米，其光谱图如图4所示。使用带有LC接头的多模尾纤连接光模块和小芯径渐变折射率单模多模通用光纤，传输实验时一根光纤上4个波长同时传输数据。小芯径渐变折射率单模多模通用光纤的各个通道的链路损耗约为4.9 dB。
图4 100GE SWDM4光模块的光谱图
图5显示了100GE SWDM4光模块测试的误码率与接收光功率曲线。经过200 m小芯径渐变折射率单模多模通用光纤传输，四个通道的误码率远低于IEEE 802.3bm标准规定的5×10-5的FEC阈值，表明小芯径渐变折射率单模多模通用光纤可以支持100G SWDM4无误码传输200 m。
图5 100GE SWDM4的四个通道的误码率曲线
3.3 单模传输100G PSM4100G PSM4光模块有4个独立的全双工通道，单通道的传输速率为25Gb/s，采用MTP接口（8芯），和单模光纤一起使用时传输距离可达500m。采用本模块对小芯径渐变折射率单模多模通用光纤在1310nm处的单模传输特性进行了测试。实验中只使用了一个通道。将3500m的小芯径渐变折射率单模多模通用光纤两端与单模尾纤分别熔接，带MPO接头的单模尾纤再与光模块MPO连接器接口连接，包括3500 m光纤的衰减在内的链路损耗为1.8 dB。
图6显示了BTB和3500 m的小芯径渐变折射率单模多模通用光纤误码率与接收光功率的关系曲线。3500m的小芯径渐变折射率单模多模通用光纤的误码率曲线与BTB的误码率曲线非常相近，可以实现无误码传输，这远大于单模光纤500m的最大传输距离。
图6 100G PSM4的误码率曲线
3.4 单模传输100G CWDM4采用100G CWDM4单模光模块测试光纤在1270~1330 nm的单模传输性能。通过粗波分复用（CWDM）技术， CWDM4光模块将1271nm、1291nm、1311nm和1331nm四个波长复用到一根光纤上进行传输，其光谱图如图7所示。它符合QSFP28 MSA、CWMD4 MSA[5]以及IEEE P802.3BM的相关部分标准，封装类型为QSFP28，速率为103.1 Gbps，其支持的最远传输距离为2 km，接口为LC双工。7000 m的小芯径渐变折射率单模多模通用光纤的两端与带LC连接器的G.652D 单模尾纤熔接，再与光模块LC接口连接。包含光纤在1310nm处约为0.44 dB/km的光纤衰减在内，0～3通道的链路损耗分别为3.9 dB、3.5 dB、3.4 dB和3.2 dB。
图7 100G CWDM4光模块的光谱图
图8显示了BTB和7000 m的小芯径渐变折射率单模多模通用光纤的四个通道的BER与接收光功率的关系曲线。经过7000 m的单模传输的误码率曲线接近于BTB的曲线，仍是无误码的，表明小芯径渐变折射率单模多模通用光纤可以支持100G CWDM4单模传输7000 m。
图8 100G CWDM4光模块四个通道的误码率曲线
4. 结论 我们设计并制备了一种新型的抗弯小芯径渐变折射率单模多模通用光纤，该光纤支持在850~950 nm波段的多模传输，同时支持1270~1330 nm范围内的单模传输。100G SR4和100G SWDM4 光模块的多模传输距离分别为450m和200m，100G PSM4和100G SWDM4的单模传输距离可达3500m和7000m。这种光纤对于数据中心和5G前传而言，是一种潜在的、切实可行的传输媒介。
5. 致谢感谢Finisar为我们提供的100GBASE-SR4和100GE SWDM4光模块。
6. 参考文献[1] X. Chen, J. E. Hurley, A. R. Zakharian, J. S. Stone, W. A. Wood, B. Chow, et al., “Multimode and single-mode transmission over universal fiber for data center applications,” Optical Fiber Technology, vol. 44, pp. 53-60, 2018.
[2] https://www.exfo.com/en/products/field-network-testing/network-protocol-testing/ethernet-testing/ftbx88200nge-power-blazer/
[3] https://www.finisar.com/optical-transceivers/ftlc9551repm
[4] https://www.finisar.com/optical-transceivers/ftlc9152rgpl
[5] http://www.cwdm4-msa.org/
来源： 肖武丰，黄荣，王润涵，王海鹰，张方海
