EMBc確保10G短距離系統(tǒng)的可靠性

 
　　各種商務(wù)活動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(shù)據(jù)處理中心內(nèi)采用了10G高速網(wǎng)絡(luò)，據(jù)預(yù)測未來5年中大多數(shù)園區(qū)骨干網(wǎng)也將達到10Gb/s。   

　　美國及國際標準現(xiàn)在都有關(guān)于10Gb/s網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的標準規(guī)范。短距離（簡稱SR）系統(tǒng)（300米及以下的網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)）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?shù)挠行Ｊ綆挘‥MBc）是一個新的帶寬度量參數(shù)，它更有利于保證10Gb/s　SR系統(tǒng)的傳輸性能。 
　　 
　　低成本系統(tǒng)的需求 

　　網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的成本及可靠性是開發(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?shù)?0微米光纖，使得SR連續(xù)多模系統(tǒng)相對于具有同樣傳輸能力的單模系統(tǒng)成本更低。

　　SR系統(tǒng)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（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性小組（FO－4.2.1）規(guī)范了10Gb/s系統(tǒng)的各個參數(shù)，從而保證了各廠商產(chǎn)品的實用性及兼容性。

　　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(qū)域內(nèi)，具體說就是要求不多于30％的光能位于半徑小于4.5微米的區(qū)域。這樣就有效地限制了光能過多地輸入到MMF的最低階模式中。此外，TIA標準也規(guī)定了在半徑為19微米的區(qū)域內(nèi)至少有86％的光能，以防止過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，人們開始針對850nm波長優(yōu)化MMF以滿足低成本傳輸系統(tǒng)的要求。與傳統(tǒng)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，同時還保持了1310納米的傳輸性能。

　　MMF影響整個系統(tǒng)性能的基本特性是其光纖模式結(jié)構(gòu)。光纖模式與輸入光的相互作用決定了整個系統(tǒng)的性能。在10Gb/s以太網(wǎng)標準IEEE　802.3ae的制定過程中，TIA　FO-4.2.1定出了測試程序TIA-455-220A來確定MMF的模式結(jié)構(gòu)。這就是微分模式延遲（DMD）方法。在此方法中，要采用一個精確的850nm單模光源通過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間。輸出的結(jié)果是脈沖延遲時間與徑向位置的關(guān)系曲線圖，圖2即為一典型的曲線示意圖。

　　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(shù)值必須足夠小以滿足10Gb/s傳輸所需的大帶寬和傳輸距離。
　　
　　計算EMBc的方法

　　系統(tǒng)性能由輸入光源特性與光纖模式結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)由光纖DMD曲線描述（如圖2），這些參數(shù)采用TIA-455-220A標準化測試方法測得。通過測試光源及光纖的參數(shù)就可以計算出10Gb/s傳輸系統(tǒng)的EMB參數(shù)。

　　光徑向輻射強度是近場強度與輻射位置加權(quán)的結(jié)果（圖3），一個特定半徑內(nèi)的環(huán)形區(qū)域光通量（EF）是該半徑內(nèi)的面積除以曲線內(nèi)的整個面積所得比值。由于對EF的要求不同，有源器件廠商針對10Gb/s傳輸系統(tǒng)提供了許多不同功率/強度分布的850nm的VCSEL。因此無論理論預(yù)測或要實際保證系統(tǒng)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(shù)分布以及用來確立標準的10個實際激光器的參數(shù)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(qū)域。

　　10Gb/s系統(tǒng)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(guī)范功能的基礎(chǔ)上盡可能容納更多類型的激光器及光纖。從理論上說，每種光纖可以通過與多種激光器進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方法通過比較特定光纖測試數(shù)據(jù)（DMD）和特定激光器測試數(shù)據(jù)（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(quán)指數(shù)由強度分布和光纖模式結(jié)構(gòu)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(quán)和來表征，這是EMBc理論的一個重要特點。由于任一光源都可通過一組特定的加權(quán)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(tǒng)性能的模式依賴性都可采用數(shù)學(xué)方法處理。TIA-455-220A附件D提供了由EF數(shù)據(jù)產(chǎn)生DMD加權(quán)的程序，并按圖4中的10個激光器的參數(shù)確定了300米、10Gb/s、850nm傳輸系統(tǒng)的一組默認加權(quán)值。

　　光纖的DMD參數(shù)與光源的DMD加權(quán)和相結(jié)合，就可以計算出輸出脈沖的參數(shù)。然后可將互相匹配的激光器－光纖的EMB值與系統(tǒng)所需的EMB值進行比較?？傊?，EMBc的主要目的是保證光纖的EMB在對應(yīng)激光器的任何模式功率分布下都能滿足10Gb/s系統(tǒng)的傳輸要求。最小EMBc值是指適用于整個EF頻譜范圍的一系列激光器所對應(yīng)的光纖的最小EMB值。該參數(shù)能保證光纖可以與所有滿足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(tǒng)性能的帶寬參數(shù)而言，EMBc具備更多的優(yōu)勢：

　　●　　可靠的理論基礎(chǔ)以及實驗驗證。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(jié)構(gòu)，采用DMD脈沖加權(quán)和光纖DMD掃描。所采用的物理分析真實反映了系統(tǒng)性能的主要因素，得出了準確的分析結(jié)果。通過實驗，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(shù)規(guī)定光纖的性能參數(shù)，從而保證MMF適用于幾乎所有種類的合格光源，包括極端的光能聚集在纖芯中心或邊緣的激光器。因此成為一個穩(wěn)妥可靠的系統(tǒng)性能度量參數(shù)。

　　●　　對不同速率及連接距離的靈活性和適應(yīng)性。EMBc方法最初是為10Gb/s以太網(wǎng)開發(fā)的，但它也適合其他速率和連接長度的應(yīng)用，比如用于數(shù)據(jù)中心的光纖通道。只要針對光源在所選數(shù)據(jù)速率下的性能確定輸入?yún)?shù)，就能用同樣的計算方法可靠地預(yù)測系統(tǒng)性能。

　　●　　符合標準，有多廠商支持。EMBc是被眾多光纖、器件及系統(tǒng)廠商所支持的一種方法。在它被采納為TIA和10-GbE標準的過程中就獲得了廣泛的認可?，F(xiàn)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工作組開始著手將EMBc帶寬度量延伸到其他數(shù)據(jù)速率和連接長度以滿足更多協(xié)議的需求。被提議的應(yīng)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(tǒng)。

　　討論的焦點集中于光纖參數(shù)的設(shè)定及光源模式功率特性，這些參數(shù)是建立模型的主要參數(shù)。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(yīng)該考慮500至2000MHz