数据中心已经成为现代生活发动机，日益增长的网络信息都通过数据中心进行高速传输和存储。数据中心内部大部分连接距离较短，从几米到几百米不等。这些短距离高速数据通信中，多模光纤和以垂直腔面发射激光器（VCSEL）为核心器件的光模块得到了广泛应用。和单模传输方案相比，多模方案采用低成本，低功耗的激光器，实现了光纤与激光器之间快速高效的耦合。多模光纤可实现比铜缆更高的传输速率或更远的传输距离，比单模光纤系统更低的成本。目前数据中心内部连接的速率达已经 100 Gbit/s，且 400 Gbit/s 也指日可待。业界一直在开发新型的多模光纤来改善其性能，包括在单根光纤中实现波分复用的宽带多模光纤技术；支持更长传输距离的长波多模光纤。另外为支持高密度，小型化的连接，提高数据中心的空间利用率、散热效率和线缆管理效率，具有抗弯性能的多模光纤也已经快速的发展和部署。本文将结合多模光纤的技术原理与光模块技术的演进，讨论支持高速率光模块的多模光纤发展趋势。

 

1. 多模光纤技术及应用场景       

云计算的发展促进了超大规模数据中心的发展，从而产生了和传统企业数据中心不同的发展趋势。无论是国内还是国际，云计算业务为主的超大规模数据中心用户对服务器端口速率的演进明显快于传统企业数据中心。传统企业将稳定的使用多模 OM4 光纤，且 90%以上的系统链路长度小于 100m。 

 

图 1. 传统企业数据中心 OM4 系统长度分布 

 

而超大规模数据中心用户则更多的选择单模光纤，70%的系统链路长度超过 100m

 

图 2. 超大规模数据中心单模系统长度分布 

 

超大规模数据中心的发展提高了单模光纤的使用率，但多模光纤仍有其独特的优势。这些优势包括：可使用更低成本的光模块，更低的功耗，而且传输距离可覆盖数据中心内大部分的链路，因此基于多模光纤和多模光模块的解决方案对客户仍具有很强的吸引力。

 

2. 850 nm 多模光纤的带宽

与单模系统不同的是，多模系统的传输距离和速率受到多模光纤的带宽的限制。为支持高速率系统传输更远的距离，需要提高多模光纤的模式带宽。多模光纤的设计通常采用渐变折射率的剖面以减少模式群时延，实现高带宽： 

 

                                

其中，r0 为纤芯半径，∆0 为纤芯相对折射率变化的最大值，可以表示如下： 

 

         

 

其中，n0 为纤芯的中心折射率，n1 为包层的折射率。 

 

选择合适的值，多模光纤的模式带宽可以在一定波长范围内进行优化。图 3 为 50 µm 多模光纤在 850 nm 波长值变化 1％时的带宽分布，光纤的值在最佳位置时，带宽值超过 13 GHz.km。该图也反映出多模光纤的带宽对值非常敏感，如实现最大的带宽，需要对值（纤芯折射率）进行非常精细的控制，否则纤芯剖面在制造过程中的各种缺陷会影响多模光纤的实际带宽。 

 

图 3 50 µm 多模光纤在 850 nm 波长值变化 1％时的带宽分布

 

随着光纤设计和制造工艺方面的进步，多模光纤的带宽得到了大幅提升。表 1 为不同类型的标准多模光纤，62.5 µm 的多模光纤具有较高的数值孔径和较大的纤芯，可将发光二极管光源（LED）耦合进光纤，支持 10 Mbit/s 乃至 100 Mbit/s 的速率下 2 km 的数据传输。随着以太网标准和低成本的 850 nm VCSEL 的发展，芯径为 50 µm 光纤的多模光纤更受市场欢迎。该光纤具有更低的模式色散和更高的带宽，且 VCSEL 的光斑尺寸和数值孔径比 LED 更小，可以方便地将激光耦合到 50 µm 光纤中。通过优化光纤制造工艺，采用先进的折射率控制技术，50 µm 多模光纤从 OM2（500 MHz.km）发展至 OM3（2 000 MHz.km），现在已发展为 OM4（4 700 MHz.km）。

 

表 1  不同类型多模光纤的带宽和链路距离

 

对于使用 850 nm VCSEL 的多模系统，进一步提高 OM4 多模光纤的带宽并不能使光模块传输更远的距离，因为系统带宽取决于光纤的有效模式带宽和色散（与 VCSEL 激光器的谱线宽度及光纤波长相关）的综合作用。如需要增加系统带宽，除了光纤的有效模式带宽外，还需要优化色散值。这可以通过的差分模式时延（DMD）多模光纤补偿部分色散，也可以使用更窄线宽的 850 nm VCSEL 或工作在色散更低的长波区域。  

   

纤芯的最大相对折射率∆0 对最大带宽也有影响。因为带宽与 1/∆2 成正比，如图 4 所示当纤芯∆0 从 1%降至 0.75%时，带宽将会加倍。但降低纤芯∆0 会加大弯曲损耗，需要通过优化光纤结构设计来改善其弯曲性能。

 

图 4 多模光纤的带宽随纤芯相对折射率的变化曲线

 

3．弯曲不敏感多模光纤

数据中心的应用中，弯曲不敏感多模光纤的使用越来越广泛，它可以优化设计光缆、硬件和设备，以节约更多的空间、具有更好的冷却效率以及更方便的连接和线缆管理。图 5 为一个弯曲不敏感多模光纤的折射率剖面设计。纤芯为渐变折射率，包层有一个低折射率沟槽。沟槽减小了包层内的光功率，可以防光信号的泄露，从而改善光纤的弯曲性能。光纤设计时优化纤芯∆和沟槽尺寸，在弯曲性能及与标准多模光纤的兼容性之间取得平衡。通过合理设计纤芯和沟槽，多模光纤可以实现 OM4 级别的高带宽和低弯曲损耗。图 6 所示为 850 nm 处测得的弯曲损耗对比，弯曲不敏感多模光纤的宏弯损耗比常规标准多模光纤低了 10 倍以上。

 

图 5 弯曲不敏感多模光纤的折射率剖面          

 

图 6 标准和弯曲不敏感多模光纤的弯曲损耗对比

 

4. 下一代多模光纤的发展

目前 850 nm 多模光纤的模式带宽最高的是 OM4 光纤，可支持 100G 系统 100 米的传输。如进一步提高模式带宽，则需要更为精细的控制折射率分布，这对生产工艺提出了更高要求，而且对产品的良率有较大影响。另一方面，系统总带宽受到光纤模式带宽和光纤色散的两方面因素限制，单一提高模式带宽对系统传输性能改善有限。这是因为受目前使用的 VCSEL 的线宽影响，多模光纤色散成为影响速率和链路距离最主要的限制因素。如果要增加系统传速率或传输距离，通常可以采用两种方法：使用单模光纤和单模激光器；或仍使用多模光纤，但采用更窄线宽的激光器，以限制多模光纤的入射模式。这两种方式的缺点是需要更昂贵的激光器，且光纤耦合过程需要更高的对准精度，这将导致更高和光模块的成本和连接成本。因此需要改进多模光纤技术来实现更高容量和更长距离的传输。对于新型多模光纤的研究，主要集中在下面几个方向。

 

4.1 长波多模光纤  

长波优化的高带宽多模光纤（980 nm/1 060 nm 或 1 310 nm）与光源结合（如长波 VCSEL），是实现较长距离高速率传输的一种可行方案。长波多模光纤系统保留了常规 850 nm 多模光纤低耦合损耗和易对准的优点，同时该光纤的色散和衰减值更低。如图 7 所示，光纤的色散和损耗随波长变化，在 1060 nm 波长处色散和损耗比 850nm 处均减少了一半，在 1310 nm 处色散几乎为 0，而损耗仅是 850 nm 处的 20%。工作于长波区域的低损耗低色散的多模光纤系统可实现更高的速率和更长的传输距离，近年来的一系列的实验结果也验证了这一结论：1310 nm 的多模光纤结合 1310 nm 的硅光模块，实现了超过 820 m 的传输距离，1060nm 多模光纤与 1060 nm VCSEL 激光器的结合实现了超过 500m 的传输（以上实验均为 100G 速率）。

 

图 7 多模光纤的色散和损耗

 

4.2 宽带多模光纤

基于 IEEE802.3ba 制定的 40G/100G 标准，多模光纤 40G 的传输采用每对光纤支持 10Gbps 的速率 4*10Gbp=40Gbps，需要用到各 4 根光纤发送与接收，共 8 芯光纤，100G 采用各 4 根光纤发送与接收 4*25Gbps=100G，共使用 8 芯光纤。400 Gb/s 传输速率需要用到 16 对共 32 芯光纤，这对于光纤资源的占用非常大。业界正在探索使用多波长复用的方式来减少光纤的使用数量。

         

目前市场上有两种基于多波长复用技术的产品。一种是 BiDi(Bi-direction)技术，如下图（以 40G 为例）所示，光模块有两个 20 Gbps 的双向通道，每根光纤都具有发送和接收功能（多模光纤支持 850nm 和 900nm 两个波长），最终在 2 根光纤上实现了 40G 传输，且无需额外安装 MPT 连接器。值得注意的是，由于 BiDi 收发器的每根光纤既传输又接收信号，所以不支持端口分支功能。另一种技术是短波分复用（SWDM）技术。与 BiDi 类似， SWDM 仅需要一个两芯 LC 双工连接，不同的是 SWDM 需要工作在 850nm 到 940nm 之间 4 个不同的波长上，其中一根光纤用于传输信号，另一根用于接收信号。

 

图 8 40GBiDi 光模块及光路图

 

图 9. SWDM 模块光路图

         

常规 OM3/OM4 光纤带宽通常仅针对于 850 nm 优化，为了支持 SWDM 光模块的工作模式，需要量化光纤在 940 nm 性能。因此电信工业协会（TIA）在 2014 年创建了工作小组，编制“宽带多模光纤（WB MMF）”相关指南来支持 SWDM 传输，WB MMF 的 TIA-492AAAE 标准于 2016 年 6 月发布。宽带多模光纤实际上是一种性能扩展的 OM4 光纤，因为宽带多模光纤仍必须满足 OM4 光纤在 850 nm 波长下 EMB ≥ 4700 MHz•km 的带宽要求，而且还规定在 953 nm 波长下的 EMB 满足≥ 2470 MHz•km。2016 年 10 月国际标准组织将宽带多模光纤命名为 OM5 光纤。

 

表 2：不同光纤类型和收发器类型的传输距离（米）

 

注释 1：距离代表收发器制造商公布的参数；有些交换机供应商提供不同的参数。

 

注释 2：带* 标的项目可实现更长的传输距离，使用市场上存在的某些连接解决方案。

         

表 3 比较了不同光纤（OM3/4/5）匹配不同光模块的传输距离。使用 OM4 光纤的 BiDi 和 SWDM 在 40G 分别能传输 150m 和 350m， 在 100G 模块 OM5 可支持 BiDi 和 SWDM 光模块 150 m 的传输，相比之下，OM3 和 OM4 的传输距离为 70m 和 100 m，但这个距离对于大部分多模方案的应用场景已经足够。图 10 列出了基于 OM4 光纤在 100 米以各种速率下的光模块解决方案，OM4 可以支持从 40G 演进到 400G 的多种光模块方案（如 100G SR4，100GBiDi，400GSR4.2， 400GSR8 等）。在实际应用中，应结合应用场景来选择合适的多模光纤，例如，在需要使用 SR4/eSR4 光模块进行端口分支的场景，OM5 和 OM4 性能基本一致 ，因此 OM4 是更具性价比的方案，而在 100G 或以上速率传输距离超过 100 m 的链路，OM5 / SWDM 组合可以体现出其长距离传输的优势。

               

图 10 基于 OM4 传输 100m 的 40/100G/400G 的解决方案