OM4多模光纤

[日期： 2009-08-28 ] 千家综合布线网 www.cabling-system.com   2009年8月5日, TIA委员会表决通过了新的EIA/TIA492AAD定义的多模光纤标准, 既业界普遍关心的OM4多模光纤。关于该光纤的标准制定，业界整整花费了三年的时间，可见其指标要求和测试是一个非常复杂的过程。目前TIA认可的这种增强带宽型多模光纤的指标和测试方法，与康宁公司目前采用的商业化的方法非常类似。 　　１　什么是OM4？     OM4光纤是一种激光优化型纤芯为50μm的多模光纤，目前标准确定的指标实际是一种OM3多模光纤的升级版。现在许多康宁公司在市场上销售的OM3光纤，其实际指标已经达到OM4的标准。   目前的OM4标准与OM3光纤相比，只是在光纤带宽指标做了提升。即OM4标准在850nm波长的有效模式带宽（EMB）和满注入带宽（OFL）相比OM3 光纤都做了提高。下面的为具体的指标要求： OM3光纤 OM4光纤 850nm 激光性能带宽 EMB（MHz.km） 2000 4700 850nm LED光源带宽 OFL（MHz.km） 1500 3500 1300nm LED光源带宽 OFL（MHz.km） 500 500   2　多模光纤发展的历史   OM4光纤的发展可以追溯到20年前开发的第一根商用多模光纤。传统上，多模光纤主要用来满足局域网，存储网络，数据中心，办公大楼布线等对高传输带宽的要求，同时又要求低成本的解决。相比较单模光纤的系统，多模光纤系统可以采用低成本的光收发器，连接器同时安装成本也可以更低。但在这个阶段，多模光纤的发展主要支持10M和100Mbit/s 的应用，以及今天的1G和10Gbits/s 的传输。   随着更高带宽和更高传输速率的需求不断增加，光纤界也在不断开发更高性能的多模光纤。多模性能等级按照ISO/IEC 11801的标准OM （光模式Optical Mode的缩写）来分级：   OM1多模光纤，满注入功率（OFL）带宽为200/500 MHz.km @850/1300 nm (这种光纤通常为传统 62.5/125-μm 光纤);    OM2多模光纤, 满注入功率（OFL）带宽为500/500 MHz.km @ 850/1300 nm (这种光纤通常为普通型50/125-μm光纤);   OM3激光优化多模光纤, 有效模式带宽（EMB 激光带宽）为2000 MHz.km ,主要用来传输 10 Gbits/sec 速率的信号.   现在，随着网络传输的需求发展，要求光纤能支持未来40G和100 Gbits/s的传输。为了满足这一发展需求，光纤厂家开始开发基于50-μm多模光纤并能够有更高带宽的光纤，同时，该光纤可以充分利用850 nm VCSEL激光器技术，来降低有源设备的整体成本。这就是现在开发的OM4多模光纤标准。   OM4光纤主要用来支持高速以太网（Ethernet），光纤通道（FC）和光纤互联（OIF）。同时在10Gbit/s系统中，可以传输550米，这样，就可以用于中等距离的园区主干和超常距离的建筑物主干。在数据中心中，在100米的距离内，可以支持更高速（40G和100Gbits/s 以太网，16G和32Gbits/s光纤通道）的数据传输要求。当然，由于其带宽标准为4700 MHz.km（两倍于OM3万兆光纤），施工和设计时就可以有更大的冗余。例如当其应用于10Gbits/s 系统时，就可以给设计人员更大的空间，允许链路中增加更多的CP连接点，增加了设计，施工和将来移动、增加和改变（MACs）的灵活性。      3　如何决定何时采用OM4光纤？   通常情况下，对于室内小于600m 的通信信道连接，采用多模光纤是最经济的方案。可以采用下列方式对整个链路的成本进行：   对于一个典型的链路，光纤收发器的成本大约是光纤连接（光纤/光缆/光连接器）的十倍。虽然单模光纤的成本比多模光纤要便宜，但是单模光纤的使用需要非常昂贵的1300nm收发器，其成本大约是850nm 多模光纤收发器的2-3倍。综合来看，一个多模光纤的系统成本要远低于单模光纤系统。   因此，在设计系统应用时，采取系统的方法可以有效减少系统造价，增加系统的可用性。这就是我们提倡的降低系统生命周期内的总体成本（TCO）。在投资光纤布线的时候，如果能考虑增加一些布线的初期投资，采用更好的多模光纤，如OM4光纤，就可以保证充分利用当前的多模光纤技术（康宁公司的OM4光纤完全向下兼容OM3光纤），降低当前系统的整体造价；当系统需要升级到更高速率的系统，如40GbE和100GbE的时候，初期投资仍然受到保护，而且研究表明，这种迁移模式将更加节省成本。   总之，当传输速率大于1Gb/s时，采用多模光纤是一种很好的系统选择。当系统需要更高的传输速率时，以下规则是我们选择OM4光纤的指导原则： 1． 对Ethernet 用户，当需要10Gb/s系统传输300m至600m时；或需要将来传输40Gb/s和100Gb/s，距离在100m至125m时。 2． 对Fiber Channel用户，OM4光纤将支持4Gb/s至400m, 8Gb/s至200m或16Gb/s至130m。 4 40Gb/s 和 100Gb/s     随着带宽需求的不断增加，需要更高速率传输和开发下一代的传输标准。设备方面，对Ethernet 而言，10Gb/s系统已经商用，需要开发下一代40Gb/s和100Gb/s系统；对SAN系统，8Gb/s系统已经商用，正在开发的是16Gb/s 和32Gb/s 。对光纤界，则需要制定关于光纤的标准，来支持未来高速速率传输的要求。   5．OM4光纤标准之争   虽然随着OM4标准的颁布，关于OM4光纤标准的争议暂时画上了句号，但其中的一些话题仍然是一些热点的议题。   - 是否需要OM4标准   在某些光纤厂家提出设立OM4多模光纤标准的时候，质疑的声音就非常强烈。从多模光纤标准的历史来看，OM1->OM2->OM3的发展，每一种新的标准都是一种换代产品；而OM3->OM4，从性能上看，是一种改进，两者象一对兄弟。从应用的角度看，OM4光纤只是比OM3光纤带宽增加一倍，可以支持10Gb/s系统传输至600m时；或对将来40Gb/s和100Gb/s，传输距离至100m至125m。因此，没有必要规定一种新的型号，造成用户理解的困难。完全可以直接提高OM3光纤的标准来支持这样的需求。但如果采用这样的方案，许多光纤厂家由于制造技术和测试技术的限制，就会有许多生产出来的光纤达不到新的OM3标准而只能当做OM2光纤降格销售。由于标准组织需要照顾大多数生产厂商的利益，最终决定还是要开发OM4光纤标准。光纤带宽之争   在决定开发OM4光纤标准后，争论的焦点就转移到具体的光纤指标上来。我们知道，多模光纤的最重要的指标是它的带宽BW（Band Width）。带宽的指标最终决定了传输数据速率和距离这两项实际工程应用中碰到的参数。如果BW值定下来，那么你希望提高传输数据速率，相应地就要减少传输距离；反之亦然。否则就会增加系统的误码率BER（Bit Rate Error），达不到系统正常工作的要求。   谚语云：没有免费的午餐。作为用户，都希望所采用的光纤带宽越高越好，但从制造商而言，这些需求的满足是需要成本的。简单的指标参数的修改，可能会降低标准的使用性，减少光纤的性价比。因此，关于850nm 激光带宽也是反复修改，可见这一指标争论的激烈程度。其修改的过程可以总结为：   - 2007年9月，ISO/IEC JTC1 SC25/WG3 会议建议850nm激光带宽为4500MHz.km   - 同期，TIA TSB-172 Annex B 建议为4700MHz.km   - 2008年10月，两个组织的协调报告3n856建议为4500MHz.km   另外，作为光纤制造的领导厂商康宁公司(Corning)，从用户的实际需求出发，从综合性价比考虑，提出了另外一个观点：   - 自2002年发布OM3光纤标准以来（该标准明确规定OM3光纤必须支持万兆10Gb/s传输300m，任何低于支持这一链路长度的多模光纤都不能归类为OM3），数据中心应用中开始大量采用这种光纤。根据美国和欧洲用户2007年的统计，OM3光纤已经占数据中心布线的70%   - 新的光纤必需首先考虑数据中心用户的实际需求。经过对数据中心光纤布线长度的统计，>87%的链路长度小于150m，> 95%的链路长度小于200m, 100%的链路长度小于300m。   - 数据中心中光纤主要用于SAN，采用FC 协议的下一代数据速率为16Gb/s 和 32Gb/s。因此新的光纤只要满足这个要求，就能解决大多用户的需求。   康宁公司建议的带宽标准是 3500Hz.km，当系统升级为32Gb/s时,它与4700Hz.km的光纤支持的链路长度几乎一样，可以经济地支持用户的需求。当然，标准的结果是照顾大多数... - 测试标准之争   在新的OM4标准中，大家可以看到两个关于带宽测试的指标。满注入功率(OFL)带宽和有效模式带宽(EMB)。其实，这两个指标是保证多模光纤在不同情况下的使用。   OFL带宽是指收发器光源的注入面积要大于纤芯截面情况下，多模光纤的带宽。如下图所示：   OFL带宽主要是为LED 光源设立的测试标准。前面提到OM1和OM2光纤主要是应用于这样的光收发器，它们在1300nm处有最好的带宽值500Hz.km。由于模间色散的原因，采用LED光原因，它的传输带宽不可能再有大的提高。但是LED光收发器成本很低，因此，在低速率数据(<100Mb/s)网络中，大量采用这种光纤有源设备。   在需要更高速率数据通信的时候，如果还是用上面提到的OM1 或OM2光纤，就需要使用1300nm 的DFB激光器。这种激光器通常是比较昂贵的，采用这种方案，就会大大增加整个通信网络的成本。   VCSEL半导体激光器的出现让人们看到了希望。它是一种基于半导体生产技术的激光器，可以大规模生产，因此可以大大降低激光器的成本。但这种激光器的工作波长在850nm，而我们上面提到的OM1和OM2光纤的最佳工作波长在1300nm。这就有必要开发最佳工作波长在850nm的，基于VCSEL激光器的多模光纤。从而诞生了康宁公司的激光优化多模光纤(Laser Optimized)，也就是TIA标准的OM3光纤。   我们前面提到OM4光纤与OM3光纤是同门兄弟，是说OM4光纤与OM3光纤一样，也主要是用来支持VCSEL激光器工作的。   激光和LED光源是完全不一样的，因此，它的工作带宽的测试及衡量也不一样。下图是激光带宽的测试示意图：   激光带宽用有效模式带宽(EMB)来衡量，所以称之为激光带宽。所谓带宽测试之争也由此而来。目前被标准化组织采纳的测试标准为EMBc和DMD两种方法。关于着两种方法的具体测试方法和计算公式，可以说非常复杂，甚至可以作为博士论文的课题。有兴趣的同行我们可以单独讨论。康宁公司采用的是EMBc的方法对所有的光纤进行带宽测试。   对上述两种测试方法，可以打一个形象的类比来说明：奥运会要招募举牌的美女，要求身高1米70以上。采用DMD方法，就是在1.70高的地方画一根线，应聘者站过去只要超过这根线就算合格。这种方法简单、有效，但并不能知道每个人的具体身高。如用EMBc方法，就是测量每个人的具体身高，然后根据要求挑选合格者。这种方法更复杂一些，但能够知道每个人的具体情况。如果将来有具体要求，如需要一位身高1米75的人去做某项工作，就可以从已知数据中挑选。   实际上，在OM4制定标准的过程中，对是否需要制定更严格的OFL测试指标，各参与厂商也是各抒己见，这里我就不详细说明了。 6．本是同根生，相煎何太急   OM4与OM3光纤可以说是同门兄弟，那么是不是随着OM4光纤的标准的推出，OM3光纤就会退出舞台呢？   这种担心我认为是多余的。从前面的应用分析可以看到，由于目前在局域网（LAN）的需求主要是10Gb/s主干，OM3 的300m 链路长度已经可以满足大多数的需求。而超过10Gb/s 的需求，会主要发生在数据中心。如果采用串行通信，当数据速率为32Gb/s是，OM3与OM4光纤仍然不分伯仲。   另外，如果用OM3光纤，采用并行光学技术，仍然可以达到100Gb/s传输300m的要求，远高于OM4串行传输的链路长度。下面主要介绍一下这种技术：   并行光学技术（包括850nm VCSEL矩阵和OM3光纤）为以太网和光纤通道（Fiber Channel）提供了低成本、高速率的解决方案。并行光传输技术采用空分多路复用，即将高速信号分配给几根光纤同时发送和接受；在接受端，信号经过解复用还原成高速信号。在整个并行光信道中，需要采用多芯连接器MTP连接。   2008年1月，电气与电子工程协会成立了IEEE 802.3ba任务组，研究40和100GbE数据传输速率指南。项目授权（PAR）内容包括采用激光优化50/125 μm多模光纤（OM3）传输至少100米的要求。其中，OM3光纤是唯一列入PAR计划的多模光纤。   在五月份的IEEE会议上，采纳了几个基本方案，作为建立40和100GbE标准初始草案的基础。基于OM3光纤，并采用并行光学技术的40和100GbE传输技术作为基准方案被采纳。这个方案把40和100GbE接口，分别定义为每个方向4根光纤的4×10GbE信道（图2）， 和每个方向10根光纤的10×10GbE信道（图3）。   为保证布线基础设施符合将来的40和100GbE要求，必须考虑光纤带宽、时延和连接器插入损耗，从而保证使系统达到采用OM3多模光纤传输距离100米的要求。   OM3是目前唯一适用于40和100GbE系统的多模光纤。该光纤优化于850nm波长传输，具有最小2000MHz*km 的有效模式带宽。康宁公司采用最小模式带宽(minEMBc)来计算上述带宽值，与差分模式延迟（DMD）技术相比，它为OM3光纤提供了更准确的测量。有了minEMBc，就可以得到一个真实、可测量的值，从而可靠地衡量系统性能。 7.走在标准的前面   虽然OM4多模光纤的标准才刚刚颁布，做为光纤界的龙头老大康宁(Corning)公司已经能够提供ClearCurve 抗弯曲型OM4多模光纤了。这种光纤，不仅性能指标满足前面所述OM4的标准，由于采用了新的光纤结构设计和制造标准,还具有非常好的抗弯曲性能。如果谈技术上的飞越，我认为这才是标准组织应该尽快确定的下一代光纤。   随着传输速率的需求越来越高，对布线“连通性”的要求也更严格。新的布线系统不是仅仅满足施工验收时是否通过，还要求整个系统必须要有很大的功率冗余，保证过小光缆弯曲而导致的额外衰减不会影响系统性能。   光是沿直线传播的。当你弯曲一根传统光纤，光就会在弯曲处泄露出去，这就是我们所说的“宏弯损耗”。当弯曲半径减小，从纤芯所泄漏的光的总量就会增加。光信号衰减，将导致传输误差的产生。见图4   由于多模光纤弯曲半径的限制，在某些场合下（如数据中心和FTTD），用户不得不面临两难的选择：低成本/高带宽性能与可靠性。新型抗弯曲多模光纤，能在不需要对标准现场安装，终端监控或维护程序作出任何调整的情况下，提供超弯曲状态下的卓越带宽性能。   在常规情况下，要改善多模光纤的抗弯曲性能非常困难。如果把光都集中在纤芯传输，将对光纤的带宽产生不利影响。获取高带宽又抗弯曲的多模光纤，就要求技术和制造工艺的大的突破。   康宁公司(Corning)通过采用光纤折射率“沟槽”技术，将多模光纤大部分的模式控制在纤芯传输，就可以提高光纤的抗弯曲性能。采用该技术，当光纤受弯曲时，原来容易漏光的高阶模式就会被限制在纤芯，承载的数字信息就不会受损失。反映到用户端，就不会有丢包或数据损害。   我们可以这样做一个比喻：想象多模光纤纤芯是一条路，而模群是车队，车队的车辆正平行行驶在多车道高速公路上。目标是使它们尽可能多的同时到达终点。这相当于多模光纤的高带宽和低耗损。   即使道路出现急转弯，在中线道的司机也试图保住自己的位置。另一方面，外道的车辆如果想追上车队其他的车辆，就必须在弯里得到更大位移。这直接导致他们必须在每条赛车线加大油门，在此过程中，有些车辆失去了牵引力滑出高速公路路面而未能到达终点   弯越多，就意味着越多的外道车辆滑出赛道。采用传统50-um多模光纤时，每个弯都意味着更多的光从外模流失以及更多信号流失。   新型抗弯曲多模光纤的结构，类似于在高速公路路面上设置防护栏。这些障碍物有助于防止外道车辆渐渐偏离赛道。因此，在有效载荷不变的情况下，他们有能力与其他车辆同时到达目的地。   抗弯曲多模光纤最大提高了系统的可靠性，尽可能地把系统停机时间降到最小，并且大大降低了成本。通过设计更小更轻的光缆，硬件以及设备，可以创建更小，更密集，更环保，更加易于安装的数据中心和企业网络。   通过比传统多模光纤更严格的弯曲测试和具备更低信号耗损高要求布线线路的双重考验，抗弯曲多模光纤通过把便于处理及安装的激光优化多模光纤打包的优势传递给每个带宽频率，使光纤使用范围更广，并且提供比铜缆更稳健的系统性能。 结束语   随着OM4多模光纤标准的颁布，我们会看到越来越多的用户关心他们的网络是否能够采用这种光纤。作为布纤行业的领导厂商，康宁公司 （Corning）已经预见到了这个趋势，并且 早已经向用户提供了这种带宽为4700Hz.km@850nm 的光纤，主要用于数据中心中需要10Gb/s超出300m的情况。   根据前面的分析，用户可以清楚的了解什么情况下采用这种光纤会带来更高的性价比。另外，需要特别说明的是，OM3，OM4光纤所强调的带宽指标，它的测试是非常复杂的；目前还只能在实验室和工厂内进行产品测试，还没有办法在现场做产品验收和工程验收测试。所以，该指标的保证完全基于厂家的测试结果，由厂家来保证的。一个布线系统，尤其是光纤布线系统，往往需要保证20年到25年，那么选择能够提供产品和技术保障的厂家对最终使用者来说非常重要。可以说，只有那些专注在这个行业，不断进行技术创新的公司，才能真正做到这份承诺。 录入： 来源：华山论剑网 作者：康宁光缆系统大中华区市场总监 饶丹曙