EMBc確保10G短距離系統的可靠性

 
　　各種商務(wù)活動(dòng)需要比以往更大的帶寬及網(wǎng)絡(luò )吞吐量。IT經(jīng)理們已經(jīng)在LAN骨干網(wǎng)上和數據處理中心內采用了10G高速網(wǎng)絡(luò )，據預測未來(lái)5年中大多數園區骨干網(wǎng)也將達到10Gb/s。   

　　美國及國際標準現在都有關(guān)于10Gb/s網(wǎng)絡(luò )系統的標準規范。短距離（簡(jiǎn)稱(chēng)SR）系統（300米及以下的網(wǎng)絡(luò )傳輸系統）工作于850納米波段，充分利用了10Gb/s　VCSEL的低成本優(yōu)勢和50微米多模光纖（MMF）的高帶寬優(yōu)勢。適當的有效模式帶寬（EMBc）是一個(gè)新的帶寬度量參數，它更有利于保證10Gb/s　SR系統的傳輸性能。 
　　 
　　低成本系統的需求 

　　網(wǎng)絡(luò )系統的成本及可靠性是開(kāi)發(fā)者所考慮的最重要的因素。在LAN中，由于采用了850nm　　VCSEL收發(fā)器和新型針對激光器優(yōu)化的適于10Gb/s　　傳輸的50微米光纖，使得SR連續多模系統相對于具有同樣傳輸能力的單模系統成本更低。

　　SR系統的性能主要取決于收發(fā)器以及MMF的性能。美國電信行業(yè)協(xié)會(huì )（TIA）已經(jīng)確立了光纖和激光器的各項標準?；诠饫w連接的技術(shù)需求以及各生產(chǎn)廠(chǎng)商的制造能力，TIA光纖光學(xué)工作組多模光纖帶寬模式依賴(lài)性小組（FO－4.2.1）規范了10Gb/s系統的各個(gè)參數，從而保證了各廠(chǎng)商產(chǎn)品的實(shí)用性及兼容性。

　　在收發(fā)器方面，10Gb/s激光器要求輸出光束大部分集中在半徑為4.5至19微米的環(huán)形區域內，具體說(shuō)就是要求不多于30％的光能位于半徑小于4.5微米的區域。這樣就有效地限制了光能過(guò)多地輸入到MMF的最低階模式中。此外，TIA標準也規定了在半徑為19微米的區域內至少有86％的光能，以防止過(guò)多光能泄漏到纖芯外層甚至包層中去。

　　在成本效益比和普遍采用的850nm　　VCSEL收發(fā)器的特性已確定的情況下，人們開(kāi)始針對850nm波長(cháng)優(yōu)化MMF以滿(mǎn)足低成本傳輸系統的要求。與傳統的使用1310納米LED光源的62.5微米纖芯的FDDI光纖相比，50微米MMF具有更高的帶寬，并且能支持850納米10Gb/s傳輸，同時(shí)還保持了1310納米的傳輸性能。

　　MMF影響整個(gè)系統性能的基本特性是其光纖模式結構。光纖模式與輸入光的相互作用決定了整個(gè)系統的性能。在10Gb/s以太網(wǎng)標準IEEE　802.3ae的制定過(guò)程中，TIA　FO-4.2.1定出了測試程序TIA-455-220A來(lái)確定MMF的模式結構。這就是微分模式延遲（DMD）方法。在此方法中，要采用一個(gè)精確的850nm單模光源通過(guò)一段特殊的單模探測光纖對被測的MMF纖芯以1至2微米的間隔進(jìn)行掃描（圖1）。該方法能確定傳輸最快及最慢的光脈沖模式之間的延遲時(shí)間。輸出的結果是脈沖延遲時(shí)間與徑向位置的關(guān)系曲線(xiàn)圖，圖2即為一典型的曲線(xiàn)示意圖。

　　采用DMD方法能清晰表明各模式之間的相對延遲，從而確定MMF的質(zhì)量。DMD數值必須足夠小以滿(mǎn)足10Gb/s傳輸所需的大帶寬和傳輸距離。
　　
　　計算EMBc的方法

　　系統性能由輸入光源特性與光纖模式結構相互作用決定。其中光源特性采用光源徑向輻射強度的分布圖描述，而光纖模式結構由光纖DMD曲線(xiàn)描述（如圖2），這些參數采用TIA-455-220A標準化測試方法測得。通過(guò)測試光源及光纖的參數就可以計算出10Gb/s傳輸系統的EMB參數。

　　光徑向輻射強度是近場(chǎng)強度與輻射位置加權的結果（圖3），一個(gè)特定半徑內的環(huán)形區域光通量（EF）是該半徑內的面積除以曲線(xiàn)內的整個(gè)面積所得比值。由于對EF的要求不同，有源器件廠(chǎng)商針對10Gb/s傳輸系統提供了許多不同功率/強度分布的850nm的VCSEL。因此無(wú)論理論預測或要實(shí)際保證系統傳輸性能都有許多難處。

　　圖4是按照TIA模型創(chuàng )建的10Gb/s概念型激光器的參數分布以及用來(lái)確立標準的10個(gè)實(shí)際激光器的參數分布，其中1號和5號激光器是兩種極端的情況，其光強分別分布于纖芯的中心和邊緣區域。

　　10Gb/s系統要求即使采用上述極端的激光器也必須像正常激光器一樣完成無(wú)差錯傳輸。有些制造商傾向于生產(chǎn)大光斑激光器，而有些則傾向于小光斑，制定標準的目的是在規范功能的基礎上盡可能容納更多類(lèi)型的激光器及光纖。從理論上說(shuō)，每種光纖可以通過(guò)與多種激光器進(jìn)行匹配測試從而確定其適合于哪種激光器，但因為很多原因該方法并不可行。EMBc方法通過(guò)比較特定光纖測試數據（DMD）和特定激光器測試數據（EF）可以確定哪些光纖與哪些激光器相匹配。

　　盡管DMD脈沖的加權指數由強度分布和光纖模式結構共同決定，但由光源引起的模式功率分布仍可由DMD脈沖的加權和來(lái)表征，這是EMBc理論的一個(gè)重要特點(diǎn)。由于任一光源都可通過(guò)一組特定的加權DMD脈沖精確地表征，因此所有光源的變化以及由此引起的系統性能的模式依賴(lài)性都可采用數學(xué)方法處理。TIA-455-220A附件D提供了由EF數據產(chǎn)生DMD加權的程序，并按圖4中的10個(gè)激光器的參數確定了300米、10Gb/s、850nm傳輸系統的一組默認加權值。

　　光纖的DMD參數與光源的DMD加權和相結合，就可以計算出輸出脈沖的參數。然后可將互相匹配的激光器－光纖的EMB值與系統所需的EMB值進(jìn)行比較?？傊?，EMBc的主要目的是保證光纖的EMB在對應激光器的任何模式功率分布下都能滿(mǎn)足10Gb/s系統的傳輸要求。最小EMBc值是指適用于整個(gè)EF頻譜范圍的一系列激光器所對應的光纖的最小EMB值。該參數能保證光纖可以與所有滿(mǎn)足EF要求的激光器一起工作。
　　
　　EMBc的優(yōu)勢

　　由于綜合考慮了激光器與光纖的性能（更重要的是考慮了其相互作用），因此相對于其他用于保證系統性能的帶寬參數而言，EMBc具備更多的優(yōu)勢：

　　●　　可靠的理論基礎以及實(shí)驗驗證。EMBc程序綜合了光源的基本性能、模式功率分布以及MMF的模式結構，采用DMD脈沖加權和光纖DMD掃描。所采用的物理分析真實(shí)反映了系統性能的主要因素，得出了準確的分析結果。通過(guò)實(shí)驗，成功支持且驗證了該方法的有效性。

　　●　　考慮了最壞的情況。采用最小EMBc參數規定光纖的性能參數，從而保證MMF適用于幾乎所有種類(lèi)的合格光源，包括極端的光能聚集在纖芯中心或邊緣的激光器。因此成為一個(gè)穩妥可靠的系統性能度量參數。

　　●　　對不同速率及連接距離的靈活性和適應性。EMBc方法最初是為10Gb/s以太網(wǎng)開(kāi)發(fā)的，但它也適合其他速率和連接長(cháng)度的應用，比如用于數據中心的光纖通道。只要針對光源在所選數據速率下的性能確定輸入參數，就能用同樣的計算方法可靠地預測系統性能。

　　●　　符合標準，有多廠(chǎng)商支持。EMBc是被眾多光纖、器件及系統廠(chǎng)商所支持的一種方法。在它被采納為T(mén)IA和10-GbE標準的過(guò)程中就獲得了廣泛的認可?，F在IEC正準備采納該方法，使其成為一項國際標準。
　　
　　EMBc的擴展延伸

　　自從IEEE　10-GbE標準出版后，TIA　FO-4.2.1工作組開(kāi)始著(zhù)手將EMBc帶寬度量延伸到其他數據速率和連接長(cháng)度以滿(mǎn)足更多協(xié)議的需求。被提議的應用包括速率為1.25Gb/s的600及1000米傳輸、2.125Gb/s速率300及600米傳輸以及2.488Gb/s速率300及600米傳輸。也提到了速率為10Gb/s的150及600米傳輸系統。

　　討論的焦點(diǎn)集中于光纖參數的設定及光源模式功率特性，這些參數是建立模型的主要參數。后者的重要性是因為通常認為1Gb/s的VCSEL比10Gb/s　VCSEL具有更大的光斑尺寸，兩者間的模式功率分布差別很大。人們還認為應該考慮500至2000MHz