2021年对激光器优化的多模光纤给基础标准化测试带来了挑战

对激光器优化多模光纤给标准化测试带来了挑战

作者：DavidKritler

针对激光器优化多模光纤给制造商带来了新测试问题，尤其是差分模式时延测量。

IEEE802.3ae 10G比特以太网标准出台使市场对新型光纤需求大大增加。现在市场需要一个针对850nm垂直腔表面发

射激光器进行优化设计光纤。在这种“针对激光器优化”光纤给市场带来商机同时，也给制造商带来了一系列测试上问题，

尤其是在微分模式时延（DMD）测量上。即使很多制造商为了过程控制曾经使用很多方法测量过DMD，不过现在我们需要

是更可靠结果，所以需要使测试程序标准化，同时光纤制造者也需要在她们生产过程中采纳这些测试程序，这一样是一个难

题。在制造商确定哪一个方案才是最好之前，她们必需要了解DMD、新测试程序和生产需要。

在制订IEEE802.3z G比特以太网标按时，工程师们意识到，当光纤和一个激光器收发信机相连时，光纤制造商测量得

到多模光纤带宽并不是光纤实际带宽。出现问题原因关键是因为现在使用多模光纤是针对LED光源设计，所以多模光纤带

宽是在出厂前在仿真这么光源环境下测得。假如在这么环境下使用小光斑激光器，比如垂直腔表面发射激光器，那么光纤则

处于未注满状态——光仅仅注入到光纤可用模式一部分中，所以光纤性能和出厂前测得会有很大不一样。于是对应光纤带宽

不确定性迫使IEEE在GbE标准中针对多个多模光纤类型设定最大链路距离较为保守。

20XX年，电信行业协会（TIA）和国际电工委员会（IEC）多模光纤工作组处理了造成这种性能不确定两大关键问题。

第一、她们针对VCSEL收发器输出分布制订了具体规范，从而确保光源模式群更高一致性。第二、她们修改了多模带宽测

试程序，针对GbE所用光纤增加了新受限模式输出（RML：restrictedmode launch）测试条件。RML目标是要尽可能仿真

新G比特VCSEL输出模分布，从而更理想测量光纤带宽，进而更有效估计实际系统性能。

可惜是，这些标准在两年前，也就是在IEEEGbE标准以后才推出。尽管如此，在制订802.3ae10GbE标按时，TIA

和IEC工作组所掌握资料仍然是十分有效。当工作组在开始这个新项目时，她们清楚发觉即便连接距离只有300米，实现

10Gbit/s传输难度也远大于1GbE。另外，传统多模光纤，比如62.5mmFDDI LAN或50mmISO/IEC 11801，基础上不能

达成新标准要求。所以，需要研制一个全新多模光纤，一个针对850nm激光器优化光纤。

即便使用这种新光纤，用另一个RML带宽测试方法也无法完全确保10Gbit/s、300米传输。因为要同时在传输速度和

传输距离上满足要求，就只能将光纤模式色散降低到前所未有水平，这就要求必需用更基础方法测量模式色散。所以TIA

和IEC要求，全部针对激光器优化光纤DMD全部需要测量，而且每一个DMD全部必需满足极为严格要求。

那么，DMD测量到底是什么呢？有一个解释说，它类似于脉冲时延（在时域范围内）色散测量。不过实际上脉冲传输

时延并不是作为一个波长函数来测量，激光脉冲传输时延是作为一个径向位置函数来测量，而这个位置就是脉冲注入到多模

光纤纤芯位置。

图1简单解释了时域DMD测量。一个探测光脉冲注入到光纤四个不一样径向位置，并在不一样时间从光纤射出，这是

因为在不一样位置激发出模式群传输特征会有所不一样。那么最快和最慢脉冲之间相正确时差就是光纤DMD。

(图1)

能否测定每一根光纤DMD关键取决于光纤制造商。在这一点上，DMD仅仅只是作为一个内部工序控制参数，因为在商

用方面，它不像光谱衰减或带宽一样是能够明确说明光纤特征，所以不会有针对DMD国际标准测试程序，也不会有任何通

例来规范它。所以，光纤制造商用来测量DMD并说明结果路径通常会有很多个。

尽管存在这么可变性，但实际上全部时域DMD测量全部由以下几点组成：

‧测试中，脉冲激光器输出光斑要和光纤纤芯中心对准。

‧用一个高速探测仪和采样示波器接收光纤中光脉冲，输出脉冲幅度以时间函数来统计。

‧激光光斑将经过光纤纤芯，在每个测量点全部要统计相同幅度和时间信息。

‧使用某种脉冲定位技术来确定径向脉冲相对时延。

一个赔偿好（低DMD）光纤DMD测量结果和图2所表示相同。在这个例子中请注意，圆圈和虚线对应是DMD数据组

中最快上升沿和最慢下降沿。

(图2)

更高精度和分辨率

伴随新针对850nm激光器优化用于10GbE50mm光纤面世，光纤制造商不仅需要用一个更可靠方法去测量DMD，而

且还要提升测量正确度和分辨率来确保10Gbit/s传输性能。要实现这些目标，TIA和IEC工作组为DMD测量草拟了测试程

序（TIAFOTP-220、IEC60793-1-49），它为DMD测量最关键部分方面建立了规范：脉冲“探测”激光源性能，测量中激

光光斑定位。这份草案中还讲到DMD探测光应该：

‧光谱宽度窄，或能够赔偿更宽光谱从而减小因光源色散引发误差。

‧出射光为高斯光束，且时间宽度应小于要测量DMD110%。

‧注入高斯光斑，光斑模场直径约为5mm，从而能够在每个测量点激发模式群数目，并使DMD分辨率最大化。

‧产生高功率脉冲从而使信噪比最大，假如50mm光纤针对850nm激光器优化，那么通常衰减大约为2.5dB/km。

这些要求将光源选择范围在钛蓝宝石激光器和分布反馈式半导体激光器上。更为普遍850nm法布里-珀罗激光器

即使也能满足部分要求，不过她们光谱宽度太宽，而850nmVCSEL即使光谱窄，通常只能产生几毫瓦光功率，所以会

系统测量范围。

一旦适宜探测激光器选定了，就完全能够用以下方法给激光器输出光斑定位：

‧首先将光斑定位在用来测试光纤输入端，范围在光纤纤芯中心位置周围1mm处。

‧以小于1度误差角度注入，激光光斑直径不发生改变。

‧每次移动2mm，正确到0.5mm以下缓慢移动注入光斑，经过光纤纤芯。

每一个定位要求全部是为了确保探测激光器光斑位置、直径和激光器注入光束角向正确性和可反复性（图3）。这一系列

要求不仅有利于确保在每个测量点激活“正确”模式群，也有利于提升DMD测量可反复性。

(图3)

怎样测试最好

因为存在这么严格测试标准，对那些期望为前景看好10GbE市场生产出“下一代多模光纤”光纤制造商来说，摆在她

们面前问题是：尽管在试验室环境下对测试程序作了很多研究，不过怎样在生产环境下正确而安全完成测试呢？毕竟，即使

能够在试验室里使用昂贵安装在防震工作台上光纤操纵器来正确移动光纤，和使用高功率钛蓝宝石激光器和高频探测器，但

显而易见是，这些在生产车间里是不轻易做到。除了测试系统物理结构外，未来10Gbit/s多模光纤制造商仍然要考虑怎样

才能在生产中有效进行DMD测量。和现在生产中用到其它光纤测量方法一样，DMD测量所用测试系统应该含有以下大部

分特征：

‧符合标准。根据应用标准进行测量。

‧正确。产生和现有行业“参考基准”相一致结果。

‧可靠性。能够在生产平台上使用，能够24x7不间断运行，而且性能稳定。

‧操作简便。现有生产测试人员能够使用，测量结果不依靠操作人员。

‧高速。准备光纤、安装和测量所用时间尽可能短。

‧灵活。能够用于多种生产场所。

‧适应性。能够被修改从而适应测量程序和结果计算方法改变。

‧多功效。准备一次光纤，就能够用这个平台进行其它关键参数测量。

因为DMD是一个相对较新光纤参数，而且DMD测试系统市场相对来说仍然较小，所以含有以上全部性能商用测试系

统极少。在制造商们开始自主开发测试方案或决定将试验室设备改善用到工厂之前，市场上最近已经出现了商用DMD测试

系统。对此，制造商们应该认真考虑。这些新测试系统可能不含有上述全部性能，但含有了多个十分关键性能。

当测试能力能满足制造商需要时，下一代多模光纤制造商们不仅能确保她们光纤性能和设计相同，也能使光纤和IEEE

10GbE标准最初期望一样低成本、高效益。