多模光纖是指可以傳輸多個模式的光纖,相對普通單模光纖而言,多模光纖具有更大的數值孔徑和纖芯直徑。同時,因為它的模式色散大而使其帶寬遠遠低于單模光纖。但是,由于多模光纖對傳輸系統中器件的要求相對于單模光纖要低得多,因此它存在著很大的發展潛力和空間。自1970年美國康寧公司研制出世界上第一根衰減系數為20分貝/公里的多模光纖以來,多模光纖經歷了從興到衰,又從衰到興的變化。 多模光纖,按組成材料的不同,可以分為石英光纖,塑料光纖,塑包石英光纖,多組分玻璃光纖等;按光纖端面折射率分布,可以分為多模漸變折射率光纖(簡稱漸變型多模光纖)和多模階躍變化折射率光纖(簡稱階躍型多模光纖)。階躍型多模光纖的芯直徑很大,通常大于80mm;帶寬很低,一般只有30~60MHz·km,因此不能用于通信系統。本文重點討論漸變型通信用多模光纖。 第一代多模光纖 光纖通信的基礎材料是光纖預制棒。光纖的主要光學參數,如傳輸損耗、傳輸帶寬、幾何尺寸、數值孔徑均取決于預制棒的合成工藝。借助于摻雜劑,可使光纖纖芯折射率各層具有指定的折射率和規定的尺寸。漸變型多模型光纖的折射率分布可由下式表示:
 式中: R是纖芯半徑, n1是纖芯處的折射率,
 n2是包層折射率, g是折射率分布指數。 上世紀70年代,多模光纖采用CCITT建議標準。按該標準,漸變型多模光纖依光纖纖芯直徑大小分為兩種,一種是纖芯直徑為62.5mm的光纖,簡寫為62.5/125mm光纖,另一種是纖芯直徑為50mm的光纖,簡寫為50/125mm光纖。 1976年,美國采用MCVD工藝生產的50/125mm光纖,在1300nm和1550nm波長下的最低光損耗分別達到0.47dB/km和0.2dB/km。由于低損耗光纖的出現,以及光有源器件和無源器件的研制成功,光纖通信進入實用化階段。 在國外對我國實行封鎖禁運的情況下,中國自力更生開發出多模光纖。在四大科研院所的共同努力下,我國1980年成功開發了低溫MCVD工藝。1981年漸變型短波長光纖通過鑒定。1982年天津市率先開通了7公里(六芯)二次群8.448Mb/s(相當于480路電話)光纖通信工程,簡稱824工程。此后全國先后建立了數十個光纖通信系統。 1983年,中國采用MCVD工藝生產的50/125mm光纖,在850nm和1300nm波長下的帶寬分別達到903MHz·km和2167MHz·km(由日本古河檢測),在1300nm和1550nm波長下的光纖損耗分別達到0.49dB/km 和0.22dB/km。至此,中國打破了國外封鎖,日本古河公司來天津市參觀之后,曾要求開展合作研究。 1985年4月1日,《長波長光纖預制棒及其制法》率先申請中國發明專利,1987年獲得中國發明專利權。 1985年,為四次群通信工程設立的“六五”科技攻關課題通過鑒定。175公里光纖在1300nm波長下的平均帶寬為903MHz·km,其余指標符合CCITT建議標準。此時,中國多模光纖的科研數據接近國外水平。 1986年以后,進口的單模光纖廣泛用于干線通信。此后,50/125mm光纖的生產及其應用研究慢慢趨于停頓。在50/125mm光纖遭到冷遇的時候,62.5/125mm光纖的應用開發卻得到顯著發展。因為國外的62.5/125mm光纖價格便宜,與之配套的光電器件達到實用水平而且價格低廉,這使62.5/125mm光纖光纜得以迅速推廣應用于室內水平布線。1998年,室內光纜占美國光纜銷售總額的31.4%。從2001年起迅速增加,到2003年達到41.9%。 隨著LAN的速率不斷升級,傳輸距離反而受到62.5/125mm光纖帶寬的限制。為了解決這個問題,以康寧、朗訊、阿爾卡特為代表的各大光纖制造企業,大力開發一種被稱為帶寬增強型的62.5/125mm多模光纖。在改進62.5/125mm光纖的同時,國際上提出重新起用50/125mm光纖的建議。因為與62.5/125mm光纖相比,50/125mm光纖的數值孔徑和芯徑較小,傳導模的數目較少(參考表1),其帶寬高(高三倍)、成本較低(低1/3)。顯然50/125mm光纖將得到重用。預計幾年以后,62.5/125mm光纖將不再繼續主宰多模光纖市場。 新一代多模光纖 由于多媒體,高速互聯網,HDTV等對寬帶業務要求的持續增長,要求接入網中采用大容量傳輸介質。光纖到家(FTTH)已經列入規劃,建筑物中62.5/125mm多模光纜水平布線受到挑戰。一般說來,62.5/125mm光纖在850nm波長下的帶寬小于200MHz·km,在1300nm波長下的帶寬小于500MHz·km。 計算機網絡的普及與發展,帶動了基于網絡的數據傳輸網絡的傳輸速度不斷提高。于是IEEE計算機協會、LAN/MAN標準委員會開始制定千兆比特(Gbit/s)以太網標準,并于1998年6月通過了IEEE802.3z千兆比特以太網標準。2002年7月又通過了IEEE802·3ae 萬兆比特以太網標準。新標準考慮采用50/125mm新一代多模光纖。目前正在討論修改舊的G·651建議(50/125mm多模漸變折射率光纖的特性),直到現在還沒有提出不同類型的光纖。雖然已經開展這方面的工作,要獲得具體結果還需要一些時間。 目前,有關方面還沒有公布關于新一代多模光纖的標準。有文章透露,新一代多模光纖有以下特點: ■ 這是一種新型的50/125mm漸變型(GI)多模光纖,工作波長在850nm和1300nm。 ■ 光纖纖芯折射率分布的精確度遠比傳統的50/125mm光纖高。 ■ 配用850nm 和1300nm垂直腔表面發射激光器(VCSEL)光源。該新型50/125mm光纖的“激光器帶寬”應該達到2000MHz·km,用于支持10Gbit/s以太網單通道傳輸300米以上。 ■ “激光器帶寬”有別于傳統的模帶寬。因此,對該參數的測試方法也已經從傳統的“ 滿注入法(OFL,Overfilled Launch)”改為“限模注入(RML,Restricted Mode Launch)”新方法。 ■ 新型50/125mm光纖的安裝特性與傳統多模光纖相同,操作人員不需學習新技術。 多模光纖預制棒的制造工藝可分為兩類。即管內汽相沉積工藝(MCVD/PCVD)和外部汽相沉積工藝(OVD/VAD)。新一代多模光纖采用管內汽相沉積工藝。 武漢長飛光纖公司是國內唯一采用PCVD工藝生產新一代多模光纖的單位,其商品名稱是高貝(HiBand)光纖。目前從網上查到的長飛高貝系列多模光纖產品,帶寬遠遠小于2000MHz·km。天津采用MCVD工藝于1983年研制出了帶寬大于2000MHz·km的多模光纖,但是其檢測方法不一定符合“限模注入法”的標準。 由于生產新一代多模光纖預制棒與生產單模光纖預制棒的工藝不同,它只能采用管內汽相沉積工藝生產。因此,上世紀80年代曾經放棄MCVD工藝的外國公司,如康寧、住友、古河、信越等,正在重新起用MCVD工藝,或引進PCVD工藝研制新一代多模光纖。顯然,發展新一代多模光纖及其相關產業,把中國的光纖產業做大做強,將給天津市提供很好的創新平臺。這是千載難逢的機會。 寬工作波長多模光纖 2004年9月5-9日,第30屆歐洲光通信會議在瑞典斯德哥爾摩召開。會議發表的論文中提到一種新的多模光纖—寬工作波長多模光纖。 眾所周知,為了提高系統的傳輸容量,現在普遍采用的技術是提高傳輸速率,或者采用波分復用技術。寬工作波長的50/125μm光纖在1300/1550nm工作,可以與1300/1550nm長波長激光器配合,使數據通信系統能夠傳輸更長的距離。同時,這種光纖在1300-1550nm范圍的模帶寬數值可以達到1-2GHz·km,可以實現波分復用。 通信用塑料光纖 通信用塑料光纖(POF)是新一代通信傳輸介質。它與石英光纖相比,具有纖芯直徑大,連接容易,柔性好,可繞性好等優點。它非常適合作為路由交換器到用戶終端的傳輸介質,能有效地解決“最后一公里”的瓶頸問題。 根據塑料光纖纖芯材料的不同,它可分為聚甲基丙烯酸甲酯塑料光纖(PMMA POF)和全氟樹脂塑料光纖(PF POF)。PMMA POF的光損耗很大,在650nm的理論極限損耗值為106dB/km。所以它只能用于汽車、工業控制和消費電子等短距離傳輸。 全氟漸變型塑料光纖的損耗較低,在1300nm和1550nm波長下,損耗的理論極限值分別為0.3dB/km和 0.2dB/km,與石英光纖的相當。由于這種光纖在650-1300nm之間的光損耗比較低、色散小,可以在這個波長范圍內實現多波長復用傳播。它的研究成功和應用將給光通信事業帶來新的增長點,推動信息社會向前發展。 2000年日本旭玻璃株式會社研制出的全氟漸變型塑料光纖,在1300nm波長下的損耗為16dB/km,帶寬為569MHz·km。 全氟漸變型塑料光纖雖然具有前面所說的優點,但是離實用化還有相當長的距離。因為該產品的生產技術被日本的公司壟斷,光纖產量小,成本高。目前這種光纖在中國的出售價格約為每米40元。 為了規范我國塑料光纖的制造、性能測試和工程應用,信息產業部正在組織有關專家制定國家行業標準,旨在推動我國塑料光纖、光纜產品制造,質量檢測和工程應用。 結束語 單模光纖的芯徑很小,要求連接對準精度高,從而給連接帶來諸多不便;光收發器件價格昂貴,這些都阻礙著它在短距離通信網絡中的應用。因此,多模光纖在被遺棄多年之后又得到重新起用。 在多模光纖中,50/125mm漸變型多模光纖具有低損耗、寬帶寬的特點,而且加工技術比較成熟,是目前應該優先發展的光纖之一。 利用MCVD工藝生產50/125mm漸變型多模光纖是天津市的優勢,應該抓住機遇發展它及其相關產業。 |